Геохимические ограничения инфекционности бактериофагов в наземной среде

ISME Communications, том 3, номер статьи: 78 (2023 г.) Цитировать эту статью

2235 Доступов

43 Альтметрика

Подробности о метриках

Литические фаги могут быть мощными и селективными ингибиторами роста микробов и оказывать глубокое влияние на состав и функции микробиома. Однако существует неопределенность относительно биогеохимических условий, при которых хищничество фагов модулирует функции микробной экосистемы, особенно в наземных системах. Ионная сила имеет решающее значение для заражения бактерий многими фагами, но количественные данные о порогах ионного заражения фагами, которые можно сравнить с концентрациями ионов в окружающей среде, ограничены. Аналогичным образом, хотя состав углерода варьируется в окружающей среде, мы не знаем, как эта изменчивость влияет на влияние хищничества фагов на функцию микробиома. Здесь мы измерили полумаксимальные эффективные концентрации (EC50) 80 различных неорганических ионов для заражения E. coli двумя каноническими фагами дцДНК и оцРНК, Т4 и MS2 соответственно. Многие щелочноземельные и щелочные металлы способствуют литическому заражению, но пороги ионной силы различаются для разных ионов между фагами. Кроме того, используя пресноводный нитратредуцирующий микробиом, мы обнаружили, что способность литических фагов влиять на конечные продукты восстановления нитратов зависит от источника углерода, а также ионной силы. Для всех пар фаг:хозяин EC50 ионов при фаговой инфекции превышали концентрации ионов, обнаруженные во многих наземных пресноводных системах. Таким образом, наши результаты подтверждают модель, согласно которой фаги больше всего влияют на функциональную экологию наземных микробов в «горячих точках» и «горячих» моментах, таких как кишки многоклеточных животных, почвы, подверженные засухе, или биопленки, где концентрация ионов локально или временно повышена, а питательные вещества доступны для поддержки роста специфических микроорганизмов. фаговые хозяева.

Бактериофаги повсеместно распространены в природных микробных сообществах и могут играть важную роль в модуляции круговорота микробных элементов [1,2,3,4,5,6,7]. Однако нам не хватает надежных механистических моделей, позволяющих прогнозировать динамику фаг-хозяин и экологические взаимодействия, особенно в сложных средах, таких как почвы и отложения. Хотя некоторые исследования пытались продемонстрировать влияние фагов на круговорот элементов почвы, результаты варьируются и, по-видимому, зависят от контекста [1,2,3,4,5]. Таким образом, масштабы воздействия хищничества фагов на круговорот элементов в наземных экосистемах и механистическая биогеохимия этого процесса остаются неясными.

В морской среде фаговый лизис ответственен за ~40–50% всей бактериальной смертности, что примерно эквивалентно вкладу протозойного хищничества [6]. Углерод, высвобождаемый из мертвых бактериальных клеток в результате хищничества фагов, запускает «вирусный шунт» в морском углеродном цикле [7]. Однако в наземных системах вклад фага в динамику круговорота элементов гораздо менее хорошо изучен и, по-видимому, более изменчив, особенно в чрезвычайно гетерогенных средах, таких как почвы [1,2,3,4,5].

В отсутствие механистической модели динамики фагов в наземных экосистемах трудно интерпретировать корреляции между соотношением бактерий и вирусов и параметрами окружающей среды для выявления причинно-следственных связей [8]. Несколько исследований выявили тесную связь между цветением бактерий-хозяев и хищным фагом в природных системах [9, 10]. Таким образом, следует, что параметры окружающей среды, влияющие на численность хозяина, важны для успеха хищных фагов. Например, на численность фагов может влиять наличие необходимых микробных питательных веществ и источников энергии, необходимых для роста хозяина [11, 12], при этом соотношение вируса и микробов увеличивается с увеличением плотности микробных клеток [12]. Таким образом, в почвах, поскольку частицы детритного углерода или корневых выделений имеют более высокую плотность микробов, они должны быть горячими точками хищничества фагов. Кроме того, качество углерода будет определять состав гетеротрофной микробной популяции [13, 14]. Отсюда следует, что по мере изменения состава углерода численность чувствительных к фагам микробных популяций также будет меняться, что изменит возможное влияние фагов на процессы круговорота микробных элементов.