За последние 50 лет зоны минимального содержания кислорода (ОМЗ) расширились из-за изменения климата и увеличения сброса отходов с ферм и городов. В настоящее время во всем мире насчитывается более 500 ОМЗ, охватывающих примерно восемь процентов объема океана, который считается кислородным голоданием.
Метаболизм микробного сообщества в этих водах, испытывающих нехватку кислорода, напрямую влияет на процессы преобразования питательных веществ и энергии, включая производство и потребление парниковых газов, углекислого газа, метана и закиси азота. Знание того, как микробные взаимодействия меняются в ответ на расширение ОМЗ, имеет решающее значение для понимания организационных принципов, лежащих в основе взаимосвязанного круговорота питательных веществ и биогеохимических циклов в океане и баланса парниковых газов в атмосфере.Лаборатория Стивена Халлама в Университете Британской Колумбии в сотрудничестве с Объединенным институтом генома Министерства энергетики США (DOE JGI), который является объектом пользователя Управления науки Министерства энергетики США, изучает микробное сообщество, в котором доминирует SUP05, в настоящее время не культивируемая группа микроорганизмов, связанных для жаберных симбионтов глубоководных моллюсков и мидий, которые процветают в наиболее нуждающихся в кислороде регионах водной толщи.
В недавнем исследовании, опубликованном 29 августа 2014 года в журнале eLife, Халлам объединился с другим сотрудником DOE JGI, Мэттом Салливаном из Университета Аризоны, чтобы исследовать морские вирусы, заражающие SUP05, чтобы лучше понять, как вирусная инфекция влияет на экологию и метаболический потенциал SUP05. .«Это исследование представляет собой первое в своем роде исследование, в котором используется уникальная сила одноклеточной геномики для изучения динамики вируса и хозяина, включая сопутствующие вирусные инфекции, полностью независимым от культивирования образом», — отметила Таня Войке, глава DOE JGI. Microbial Program и соавтор этого исследования. «Полученные данные представляют собой очень прочную основу для будущих экспериментальных работ», — добавила она.
Войке также воодушевляет распространение этой работы на ветви темной материи микробного древа жизни.В рамках работы, поддержанной премией исследователя Фонда Гордона и Бетти Мур, постдокторский исследователь Саймон Ру возглавил усилия по разработке нового метода идентификации вирусных последовательностей в наборах микробных данных, подхода, сочетающего геномику отдельных клеток с вирусным и микробным метагеномным секвенированием для изучения вируса. динамика взаимодействия хостов в пространстве и времени. Главный вывод этого исследования состоит в том, что вирусы, по-видимому, гораздо более важны для морской микробной экологии под солнечными поверхностными водами, чем предполагалось ранее.Лаборатория Халлама изучает сообщество с преобладанием SUP05 в заливе Саанич, сезонном бескислородном фьорде на побережье острова Ванкувер, Британская Колумбия, Канада, который является естественной лабораторией для изучения ОМЗ.
Недавние исследования в заливе Саанич показали, что бактерии SUP05 могут быть ответственны за до пяти процентов глобальной первичной продуктивности, что делает их ключевыми игроками в круговороте углерода в океане.«Всякий раз, когда вы секвенируете геном из изолята или отдельной клетки, вы потенциально одновременно секвенируете заражение вирусных геномов, и долгое время эти вирусные последовательности игнорировались, уделяя внимание клеточным геномам», — сказал Халлам. «Благодаря подходу одноклеточной геномики мы можем определять клоноспецифические инфекции в естественных популяциях некультивируемых микроорганизмов, открывая беспрецедентное окно в микробную и вирусную эволюцию и экологию». Усилия Hallam Lab по секвенированию одноклеточных клеток были поддержаны грантами Тульского фонда, Фонда Г. Унгера Ветлесена и Фонда Амвросия Монелла.В ходе исследования команда собрала несколько тысяч отдельных бактериальных клеток с трех глубин, охватывающих градиент кислорода на входе Саанич (на 100, 150 и 185 метров).
Около 130 одиночных амплифицированных геномов SUP05 (SAG) были извлечены из этой коллекции Лабораторией наук об океане Бигелоу и секвенированы в Центре геномных наук в Ванкувере, Британская Колумбия. Затем последовательности были собраны, проверены на качество и аннотированы в DOE JGI. Было обнаружено, что 42 из секвенированных САГ SUP05 содержат в общей сложности 69 вирусов, представляющих пять новых родов. Эти вирусные последовательности предоставили новые эталонные геномы и позволили провести ряд эко-эволюционных исследований, включая оценки вирусных инфекций и смертности по конкретным линиям, биогеографию и потенциал дополнительных метаболических генов.
Например, используя новые вирусные геномы в качестве «крючков», Ру и его коллеги запросили 186 наборов метагеномных данных о вирусах и микробах, многие из которых были созданы в рамках программы общественных наук (CSP) DOE JGI, чтобы продемонстрировать, что, в то время как вирусы SUP05 были локально ограничены OMZ. 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 микробного сообщества, но получить данные о вирусных последовательностях намного сложнее», — сказал Салливан. «Мы использовали наборы микробных данных, которые создаются для микробной экологии, и автоматизируем процесс, чтобы иметь возможность видеть вирусы в этих данных. Здесь результаты удивили нас, поскольку кажется, что вирусы в освещенных солнцем поверхностных водах океана убивают около треть ячеек и сохраняет органический углерод доступным для меньших ячеек, то же самое можно сказать и о ОМЗ — даже в сотнях или тысячах метров ниже поверхности океана. Кроме того, характер данных означает, что мы можем впервые , посмотрите на вирусную смертность отдельно взятой группы, а не только на цифры в сообществе.
Это очень важно для конкретного изучения динамики взаимодействия вируса с хозяином и показывает, что вирусы играют большую роль в биогеохимии OMZ ».SUP05 дышит нитратами и выдыхает закись азота. Этот респираторный процесс связан с фиксацией углекислого газа и удалением токсичного сероводорода. Присутствие SUP05 в зонах несульфидного минимума кислорода побудило к описанию загадочного цикла серы, связывающего метаболическую активность SUP05 с другими микроорганизмами, участвующими в круговороте азота и серы. «В конечном итоге мы заинтересованы в понимании того, как различные микробные группы взаимодействуют, управляя круговоротом углерода, азота и серы в ОМЗ», — сказал Халлам. «SUP05 — это центр метаболического взаимодействия в OMZ.
Изучая вирусы, заражающие SUP05, мы начинаем осознавать, что вирусы могут изменять сетевые свойства микробных сообществ, что приводит к обратной связи по процессам преобразования питательных веществ и энергии, включая производство и потребление климатически активные газы. Вот где можно найти один интересный поворот в истории. Учитывая, что треть клеток SUP05 может быть инфицирована в любой момент времени, до какой степени фиксация углерода и энергетический метаболизм модулируются вирусным лизисом или перепрограммированием? »В то время как команда все еще пытается выяснить, сколько углерода связывает SUP05 и сколько парникового газа выделяют закиси азота бактерии, Халлам отметил, что эта работа предоставила инструменты, позволяющие исследователям взглянуть на эти взаимодействия таким образом, чтобы может привести к созданию более совершенных моделей экосистемы. Салливан отметил, что еще одно направление исследований — «выйти на глобальный уровень и уйти в темноту», расширяя наборы данных, на которые они обращают внимание, чтобы исследовать темную материю как вирусов, так и микробов.
И Халлам, и Салливан благодарят свое сотрудничество с DOE JGI, в частности, через CSP, как за возможность, так и за возможность изучать взаимодействия вируса с хозяином в OMZ. «Эти возможности CSP имеют решающее значение для создания ресурсов сообщества. Например, когда исследователи выделяют новый вирус и хотят знать, существует ли он в мире и где, это помогает сравнить его геном с доступными наборами вирусных метагеномных данных. Прямо сейчас, по крайней мере, половина из них была получена в результате двух наших проектов CSP для формирования набора данных «Тихоокеанский виром», — сказал Салливан. «Для вирусомики на данный момент это единственный доступный систематически и количественно подготовленный набор данных, поэтому результаты обеспечивают прочную основу для экологических выводов.
Такой масштаб данных имеет решающее значение, и такие результаты CSP имеют основополагающее значение для сообщества вирусной экологии или кого-либо еще. кто хочет контекстуализировать свой любимый новый вирус ".Халлам отметил, что с помощью программы CSP его лаборатория смогла сгенерировать 340 эквивалентов генома человека с временным разрешением микробного метагенома и метатранскриптомных данных из OMZ. «Это самый большой из существующих наборов данных, специально ориентированный на ОМЗ», — сказал Халлам. «Полученный в результате архив с открытым доступом способствует интегрированной науке.
Когда мы писали эти первоначальные предложения CSP, мы не предполагали такого рода синтеза. Однако наличие архива дает нам возможность оглянуться назад, поскольку в центре внимания появляются новые научные вопросы».
Халлам также сказал, что данные, полученные их лабораториями с помощью CSP, позволили им осуществлять совместные проекты с Лабораторией молекулярных наук об окружающей среде, пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. «Геномные и транскриптомные данные, полученные в одной национальной лаборатории, расширяют возможности исследований, основанных на гипотезах, в другой, ориентированной на протеомную и метаболомную информацию. Это сотрудничество между людьми, проектами и платформами открывает шлюзы для системной биологии в естественных и искусственно созданных экосистемах новыми и неожиданными способами. . "