육상 환경에서 박테리오파지 감염성에 대한 지구화학적 제약

ISME 커뮤니케이션 3권, 기사 번호: 78(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

용해성 파지는 미생물 성장을 강력하고 선택적으로 억제할 수 있으며 미생물군집 구성 및 기능에 중대한 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 파지 포식이 특히 육상 시스템에서 미생물 생태계 기능을 조절하는 생지화학적 조건에 대해서는 불확실성이 있습니다. 이온 강도는 많은 파지에 의한 박테리아 감염에 중요하지만 환경 이온 농도와 비교할 수 있는 파지 감염의 이온 임계값에 대한 정량적 데이터는 제한되어 있습니다. 마찬가지로, 탄소 구성은 환경에 따라 다양하지만, 이러한 가변성이 파지 포식이 미생물군집 기능에 미치는 영향에 어떻게 영향을 미치는지 알 수 없습니다. 여기에서 우리는 두 개의 표준 dsDNA 및 ssRNA 파지, T4 및 MS2를 각각 사용하여 대장균을 감염시키기 위한 80가지 무기 이온의 최대 유효 농도(EC50)의 절반을 측정했습니다. 많은 알칼리 토금속과 알칼리 금속은 용해성 감염을 가능하게 했지만 이온 강도 임계값은 파지 간의 이온에 따라 다릅니다. 또한, 담수 질산염 환원 미생물군유전체를 사용하여 질산염 환원 최종 생성물에 영향을 미치는 용해 파지의 능력은 이온 강도뿐만 아니라 탄소원에 따라 달라진다는 사실을 발견했습니다. 모든 파지:숙주 쌍의 경우, 파지 감염에 대한 이온 EC50은 많은 육상 담수 시스템에서 발견되는 이온 농도를 초과했습니다. 따라서 우리의 연구 결과는 파지가 후생동물 내장, 가뭄에 영향을 받는 토양 또는 이온 농도가 국지적으로 또는 일시적으로 상승하고 영양분이 특정 미생물의 성장을 지원하는 생물막과 같은 핫스팟 및 핫 순간에서 육상 미생물 기능 생태학에 가장 큰 영향을 미치는 모델을 뒷받침합니다. 파지 호스트.

박테리오파지는 자연 미생물 군집 어디에나 존재하며 미생물 요소 순환을 조절하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다 [1,2,3,4,5,6,7]. 그러나 특히 토양 및 퇴적물과 같은 복잡한 환경에서 파지-숙주 역학 및 생태학적 상호 작용을 예측할 수 있는 강력한 기계 모델이 부족합니다. 일부 연구에서는 토양 요소 순환에 대한 파지의 영향을 입증하려고 시도했지만 결과는 다양하고 상황에 따라 분명히 다릅니다 [1,2,3,4,5]. 따라서 육상 생태계 전반의 요소 순환에 대한 파지 포식의 영향과 이 과정의 기계적 생지화학은 여전히 파악하기 어렵습니다.

해양 환경에서 파지 용해는 모든 박테리아 사망률의 ~40~50%를 담당하며, 이는 원생동물 포식의 기여와 거의 동일합니다[6]. 파지 포식 후 죽은 박테리아 세포에서 방출된 탄소는 해양 탄소 순환에서 "바이러스 션트"를 유발합니다[7]. 그러나 육상 시스템에서 요소 순환 역학에 대한 파지의 기여는 훨씬 덜 잘 특성화되어 있으며 특히 토양과 같은 극도로 이질적인 환경에서 더 가변적인 것으로 보입니다 [1,2,3,4,5].

육상 생태계에 파지 역학의 기계적 모델이 없으면 박테리아:바이러스 비율과 환경 매개변수 간의 상관관계를 해석하여 인과 관계를 식별하기가 어렵습니다[8]. 여러 연구에서 자연계에서 숙주 세균 증식과 포식성 파지 사이의 강력한 관계가 확인되었습니다[9, 10]. 따라서 숙주 풍부도에 영향을 미치는 환경 매개변수가 포식성 파지 성공에 중요하다는 결론이 나옵니다. 예를 들어, 파지 풍부도는 숙주 성장에 필요한 필수 미생물 영양소와 에너지원의 존재에 의해 영향을 받을 수 있으며[11, 12], 미생물 세포 밀도에 따라 바이러스 대 미생물 비율이 증가합니다[12]. 따라서 토양에서는 유해 탄소 입자나 뿌리 삼출물이 더 높은 미생물 밀도를 갖기 때문에 파지 포식의 핫스팟이 되어야 합니다. 더욱이, 탄소의 질은 종속 영양 미생물 집단의 구성을 결정할 것입니다[13, 14]. 탄소 조성이 변화함에 따라, 파지에 민감한 미생물 집단의 풍부함 또한 미생물 요소 순환 과정에 대한 파지의 가능한 영향을 변경하기 위해 이동하게 됩니다.

1 mM for divalent cations (e.g., Ca2+ or Mg2+) and >10 mM for monovalent cations (e.g., Na+) [19, 20]. Importantly, these concentrations are higher than are found in many freshwaters (Fig. 3). In fact the global mean Ca2+ concentration in freshwaters is ~0.1 mM and decreasing due to anthropogenic acidification [50]. Notably, while most phage lysis media rely on high concentrations of the likely non-physiological ions Ca2+ or Mg2+, our data suggests that Na+ may actually be a more important ion for enabling phage infection in many freshwaters because Ca2+ or Mg2+ concentrations are often too low to support lytic phage infection. Future work should focus on measuring ion thresholds for more phage using more standardized techniques as we have presented in this study to determine the extent to which ions are a controlling factor on their ecological range. Additionally, assessing the influence of more complex mixtures of inorganic ions and pH gradients on phage infection using high-throughput approaches as we have developed in this study will help characterize the complex higher-order interactions between geochemical context and phage:host dynamics./p>