Расшифровка взаимодействий вирусов и хозяев в бедных кислородом океанских водах
Для процветания многоклеточной жизни (растений и животных) в океане необходима достаточная концентрация растворенного кислорода в воде. В некоторых прибрежных районах экстремальный дефицит кислорода создает «мертвые зоны», которые опустошают морские рыбные промыслы и разрушают структуру пищевых сетей. По мере снижения уровня растворенного кислорода энергия все больше отводится от многоклеточной жизни в сторону метаболизма микробных сообществ, что влияет на экологию и биогеохимию океана.
За последние 50 лет зоны кислородного минимума (ЗКМ) расширились из-за изменения климата и увеличения стока отходов с ферм и городов. В настоящее время в мире насчитывается более 500 ЗКМ, охватывающих примерно восемь процентов объема океана, который считается бедным кислородом. Метаболизм микробных сообществ в этих водах напрямую влияет на процессы преобразования питательных веществ и энергии, включая производство и потребление парниковых газов: диоксида углерода, метана и закиси азота. Понимание того, как меняются микробные взаимодействия в ответ на расширение ЗКМ, имеет решающее значение для понимания организующих принципов, лежащих в основе связанных циклов питательных веществ и биогеохимических циклов в океане, а также баланса парниковых газов в атмосфере.
В сотрудничестве с Объединенным институтом геномных исследований Министерства энергетики США (DOE JGI) лаборатория Стивена Холлама в Университете Британской Колумбии изучала микробное сообщество, в котором доминирует SUP05 — пока не культивируемая группа микроорганизмов, родственная симбионтам жабр глубоководных моллюсков, которые процветают в наиболее бедных кислородом регионах водной толщи. В исследовании, опубликованном 29 августа 2014 года в журнале eLife, Холлам объединил усилия с другим сотрудником DOE JGI, Мэттом Салливаном из Университета Аризоны, чтобы изучить морские вирусы, заражающие SUP05, и лучше понять, как вирусная инфекция влияет на экологию и метаболический потенциал SUP05.
«Это исследование стало первым в своем роде, использующим уникальные возможности геномики одиночных клеток для изучения динамики вирусов и хозяев, включая вирусные ко-инфекции, полностью независимо от культивирования», — отметила Таня Войке, руководитель программы по микробиологии DOE JGI и соавтор исследования.
В рамках работы, поддержанной наградой Фонда Гордона и Бетти Мур, постдокторант Саймон Ру возглавил разработку нового метода идентификации вирусных последовательностей в микробных наборах данных. Этот подход сочетает геномику одиночных клеток с метагеномным секвенированием вирусов и микробов для изучения динамики взаимодействия вируса и хозяина в пространстве и времени. Ключевой вывод исследования: вирусы, по-видимому, играют гораздо более важную роль в морской микробной экологии ниже освещенных солнцем поверхностных вод, чем предполагалось ранее.
Лаборатория Холлама изучает сообщество с доминированием SUP05 в заливе Саанич — сезонно аноксичном (бедном кислородом) фьорде на побережье острова Ванкувер (Канада), который является естественной лабораторией для изучения ЗКМ. Недавние исследования в заливе Саанич показали, что бактерии SUP05 могут быть ответственны за целых пять процентов глобальной первичной продуктивности, что делает их ключевыми игроками в углеродном цикле океана.
«Всякий раз, когда вы секвенируете геном из изолята или одиночной клетки, вы потенциально секвенируете одновременно и геномы инфицирующих вирусов, и долгое время эти вирусные последовательности игнорировались из-за фокуса на клеточных геномах», — сказал Холлам. — «С помощью подхода геномики одиночных клеток мы можем определять специфичные для линии инфекции в природных популяциях некультивируемых микроорганизмов, открывая беспрецедентное окно в микробную и вирусную эволюцию и экологию».
В исследовании команда собрала несколько тысяч отдельных бактериальных клеток с трех глубин, охватывающих кислородный градиент в заливе Саанич (100, 150 и 185 метров). Лаборатория Бигелоу по океанологии выделила из этой коллекции почти 130 геномов отдельных амплифицированных клеток (SAG) SUP05, которые были секвенированы в Центре геномных наук в Ванкувере. Затем последовательности были собраны, проверены на качество и аннотированы в DOE JGI. В 42 из секвенированных SAG SUP05 было обнаружено в общей сложности 69 вирусов, представляющих пять новых родов. Эти вирусные последовательности предоставили новые референсные геномы и позволили провести ряд эко-эволюционных исследований, включая оценку специфичной для линии вирусной инфекции и смертности, биогеографии и потенциала вспомогательных метаболических генов. Используя новые вирусные геномы в качестве «крючков», Ру и его коллеги проанализировали 186 наборов данных вирусных и микробных метагеномов (многие из которых были созданы в рамках Программы поддержки научных сообществ (CSP) DOE JGI), чтобы показать, что хотя вирусы SUP05 были локально ограничены ЗКМ, они сохранялись в окружающей среде в течение нескольких лет, причем некоторые вирусы эволюционировали за этот промежуток времени.
«На данный момент существует множество данных о последовательностях микробных сообществ, но получить данные о вирусных последовательностях гораздо сложнее», — сказал Салливан. — «Мы использовали микробные наборы данных, создаваемые для микробной экологии, и автоматизировали процесс, чтобы увидеть в этих данных вирусы. Результаты удивили нас: похоже, что если вирусы в освещенных солнцем поверхностных водах океана убивают около трети клеток и поддерживают органический углерод доступным для более мелких клеток, то то же самое, по-видимому, верно и для ЗКМ — даже на глубине сотен или тысяч метров ниже поверхности океана».
SUP05 «дышит» нитратом и «выдыхает» закись азота. Этот дыхательный процесс связан с фиксацией диоксида углерода и удалением токсичного сероводорода. Присутствие SUP05 в бессульфидных ЗКМ привело к описанию скрытого серного цикла, связывающего метаболическую активность SUP05 с другими микроорганизмами, участвующими в циклах азота и серы.
«В конечном счете, мы заинтересованы в понимании того, как различные микробные группы взаимодействуют, управляя циклами углерода, азота и серы в ЗКМ», — сказал Холлам. — «SUP05 — это центр метаболической связи в ЗКМ. Изучая вирусы, заражающие SUP05, мы начинаем понимать, что вирусы могут изменять сетевые свойства микробных сообществ, что влияет на процессы преобразования питательных веществ и энергии, включая производство и потребление климатически активных газов. Здесь и заключается интересный поворот сюжета. Учитывая, что в любой момент времени может быть инфицировано до трети клеток SUP05, в какой степени фиксация углерода и энергетический метаболизм модулируются вирусным лизисом или репрограммированием?»
Хотя команда все еще пытается выяснить, сколько углерода фиксирует SUP05 и сколько парникового газа (закиси азота) выделяют эти бактерии, Холлам отметил, что работа предоставила инструменты, позволяющие исследователям изучать эти взаимодействия таким образом, что это может привести к созданию лучших моделей экосистем. Салливан отметил, что другое направление исследований — «выйти на глобальный уровень и погрузиться в "темную материю"», увеличивая масштаб изучаемых наборов данных для исследования как вирусной, так и микробной «темной материи».
Оба исследователя отмечают важность сотрудничества с DOE JGI, особенно через программу CSP, как для возможности, так и для способности изучать взаимодействия вирусов и хозяев в ЗКМ.
«Эти возможности CSP критически важны для создания ресурсов для научного сообщества. Например, когда исследователи выделяют новый вирус и хотят знать, существует ли он в мире и где, полезно сравнить его геном с доступными наборами данных вирусных метагеномов. Сейчас по крайней мере половина из них получена в рамках двух наших проектов CSP, сформировавших набор данных "Pacific Ocean Virome"», — сказал Салливан.
Холлам отметил, что благодаря программе CSP его лаборатория смогла создать 340 эквивалентов человеческого генома данных микробных метагеномов и метатранскриптомов с временным разрешением из ЗКМ.
«Это самый большой набор данных, существующий на сегодняшний день, специально посвященный ЗКМ», — сказал Холлам. — «Получившийся открытый архив способствует интеграции науки. Когда мы писали эти первоначальные предложения для CSP, мы не представляли себе такого синтеза. Однако наличие архива дает нам преимущество ретроспективного взгляда по мере появления новых научных вопросов».