解码缺氧海洋中的病毒宿主相互作用

对于多细胞生命植物和动物 - 在海洋中茁壮成长，水中必须有足够的溶解氧。在某些沿海地区，极度缺氧会产生“死亡区”，从而破坏海洋渔业并破坏食物网结构。随着溶解氧水平的下降，能量越来越多地从多细胞生命转移到微生物群落代谢中，从而影响海洋的生态和生物地球化学。

在过去的50年中，由于气候变化和农场和城市的废物径流增加，氧气最小区域(OMZs)已经扩大。目前全球有超过500个OMZ，其中大约8%的海洋体积被认为是缺氧的。这些缺氧水域中的微生物群落代谢直接影响营养和能量转换过程，包括温室气体二氧化碳，甲烷和一氧化二氮的产生和消耗。了解微生物相互作用如何响应OMZ扩展变化对于理解海洋中耦合营养和生物地球化学循环以及大气中温室气体平衡的组织原则至关重要。

与美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)合作，美国能源部科学办公室用户设施，不列颠哥伦比亚大学的Steven Hallam实验室一直在研究由SUP05主导的微生物群落，SUP05是一个目前未经培养的微生物群体，在水柱最缺氧的地区茁壮成长的深海蛤和贻贝的共生体。在最近于2014年8月29日在eLife期刊上发表的一项研究中，Hallam与另一位DOE JGI合作者，亚利桑那大学的Matt Sullivan合作，研究感染SUP05的海洋病毒，以更好地了解病毒感染如何影响SUP05的生态和代谢潜力。

“这项研究代表了第一次，利用单细胞基因组学的独特优势，以完全不依赖培养的方式探索病毒 - 宿主动态，包括病毒共感染，”DOE JGI负责人Tanja Woyke指出。微生物计划和本研究的共同作者。“由此产生的数据为未来的实验工作奠定了坚实的基础，”她补充道。Woyke也对将这项工作扩展到微生物树的暗物质分支感到兴奋。

在Gordon和Betty Moore基金会研究员奖的支持下，博士后研究员Simon Roux领导开发了一种新方法来识别微生物数据集中的病毒序列，这种方法将单细胞基因组学与病毒和微生物宏基因组测序相结合，以探索病毒。 - 空间和时间的主机交互动态。这项研究的一个主要结论是，病毒似乎比阳光照射的地表水中的海洋微生物生态更为重要。

Hallam实验室研究了位于加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华岛海岸的季节性缺氧(缺氧)峡湾Saanich Inlet的SUP05主导社区，这是一个研究OMZs的天然实验室。Saanich Inlet最近的研究估计，SUP05细菌可能占全球初级生产力的5%，这使它们成为海洋碳循环的关键参与者。

“无论何时从分离株或单细胞中对基因组进行测序，您都可能同时对感染病毒基因组进行测序，并且长期以来，由于对细胞基因组的关注，这些病毒序列已被忽略，”Hallam说。“通过单细胞基因组学方法，我们能够在未开垦的微生物的自然群体中定义谱系特异性感染，为微生物和病毒的进化和生态打开了前所未有的窗口。”Hallam实验室单细胞测序工作得到了资助来自图拉基金会，G。Unger Vetlesen基金会和Ambrose Monell基金会。

在该研究中，该团队从三个深度跨越Saanich Inlet氧气梯度(100,150和185米)收集了数千个单独的细菌细胞。Bigelow海洋科学实验室从该系列中回收了近130个SUP05单扩增基因组(SAG)，并在不列颠哥伦比亚省温哥华的基因组科学中心测序。然后在DOE JGI组装，质量检查和注释序列。发现42个测序的SUP05 SAG含有总共69种病毒，代表5个新属。这些病毒序列提供了新的参考基因组，并启用了许多生态进化调查，包括谱系特异性病毒感染和死亡率估计，生物地理学和辅助代谢基因潜力。例如，使用新的病毒基因组作为“钩子，

“在这一点上，有很多微生物群落序列数据，但获取病毒序列数据要困难得多，”沙利文说。“我们所做的是利用为微生物生态学生成的微生物数据集，并使该过程自动化，以便能够在该数据中查看病毒。在这里，结果让我们感到惊讶，因为看起来虽然阳光照射的海洋水域中的病毒杀死了大约三分之一的细胞并且有机碳可用于较小的细胞，但在OMZ中似乎也是如此 - 甚至在海洋下方数百或数千米处也是如此。表面。此外，数据的性质意味着我们可以首次查看单个群体的病毒死亡率，而不仅仅是社区范围内的数据。这对于专门检查病毒 - 宿主相互作用动态至关重要，

SUP05呼吸硝酸盐并呼出一氧化二氮。这种呼吸过程与二氧化碳固定和有毒硫化氢的去除相结合。SUP05在非硫化物氧最小区域中的存在促使描述了隐含的硫循环，其将SUP05的代谢活性与参与氮和硫循环的其他微生物联系起来。“我们最终有兴趣了解的是，不同的微生物群如何相互作用来驱动OMZ中的碳，氮和硫循环，”Hallam说。“SUP05是OMZ中代谢偶联的枢纽。通过研究感染SUP05的病毒，我们开始认识到病毒可以改变微生物群落的网络属性，从而产生营养和能量转换过程的反馈，包括气候活性气体的生产和消费。这就是故事中一个有趣的转折点。鉴于SUP05细胞中有三分之一可能在任何特定时间被感染，碳固定和能量代谢在多大程度上受到病毒裂解或重编程的调节?

虽然该团队仍在努力弄清楚SUP05正在修复多少碳，以及细菌释放多少温室气体一氧化二氮，但哈拉姆指出，这项工作提供了一些工具，使研究人员能够以这样的方式研究这些相互作用。可以带来更好的生态系统模型。沙利文指出，另一个研究方向是“走向全球并走向黑暗”，扩大他们正在寻找的数据集，以探索病毒和微生物的暗物质。

Hallam和Sullivan都赞同他们与DOE JGI的合作，特别是通过CSP，以获得研究OMZ中病毒 - 宿主相互作用的机会和能力。“这些CSP机会对于建立社区资源至关重要。例如，当研究人员分离出一种新病毒并想知道它是否存在于世界各地时，它有助于将其基因组与可用的病毒宏基因组数据集进行比较。目前，至少有一半来自我们的两个CSP项目，以形成'太平洋Virome'数据集，“沙利文说。“对于病毒学，目前这是唯一可用的系统和定量数据集，因此结果为进行生态推理提供了坚实的基础。这种数据规模至关重要，

Hallam指出，通过CSP计划，他的实验室已经能够生成340个人类基因组当量的时间分辨微生物宏基因组和来自OMZ的元相互作用数据。“这是目前存在的最大数据集，专门针对OMZ，”Hallam说。“由此产生的开放存取档案促进了综合科学。当我们编写这些最初的CSP提案时，我们没有想到这种综合。然而，随着新的科学问题成为关注焦点，拥有存档到位可以让我们获得后见之明。“

Hallam还表示，他们的实验室通过CSP生成的数据使他们能够与太平洋西北国家实验室的DOE科学办公室用户设施环境分子科学实验室开展合作项目。“在一个国家实验室中产生的基因组学和转录组学数据赋予了另一个专注于蛋白质组学和代谢组学信息的假设驱动研究。人员，项目和平台之间的这些合作正在以新的和意想不到的方式打开自然和工程生态系统中系统生物学的闸门。“