陸上環境におけるバクテリオファージの感染力に対する地球化学的制約

ISME Communications volume 3、記事番号: 78 (2023) この記事を引用

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溶解性ファージは、微生物の増殖を強力かつ選択的に阻害する可能性があり、マイクロバイオームの構成と機能に重大な影響を与える可能性があります。 しかし、特に陸域システムにおいて、ファージの捕食が微生物の生態系機能を調節する生物地球化学的条件については不確実性がある。 イオン強度は多くのファージによる細菌の感染にとって重要ですが、環境イオン濃度と比較できるファージ感染のイオン閾値に関する定量的データは限られています。 同様に、炭素組成は環境内で変化しますが、この変動がマイクロバイオームの機能に対するファージの捕食の影響にどのような影響を与えるのかはわかっていません。 ここでは、2 つの標準的な dsDNA および ssRNA ファージ、それぞれ T4 および MS2 による大腸菌の感染に対する 80 種類の異なる無機イオンの最大半値有効濃度 (EC50) を測定しました。 多くのアルカリ土類金属およびアルカリ金属は溶解感染を可能にしましたが、イオン強度の閾値はファージ間のイオンごとに異なりました。 さらに、淡水の硝酸塩還元マイクロバイオームを使用して、硝酸塩還元最終生成物に影響を与える溶解性ファージの能力が炭素源とイオン強度に依存することを発見しました。 すべてのファージ:宿主ペアについて、ファージ感染のイオン EC50 は、多くの陸上淡水系で見られるイオン濃度を超えました。 したがって、我々の発見は、後生動物の腸、干ばつの影響を受けた土壌、イオン濃度が局所的または一時的に上昇し、特定の微生物の成長をサポートする栄養素が利用できるバイオフィルムなどのホットスポットおよびホットモーメントにおいて、ファージが陸生微生物の機能生態に最も影響を与えるモデルを裏付けるものである。ファージ宿主。

バクテリオファージは自然の微生物群集に遍在しており、微生物要素の循環を調節する上で重要な役割を果たすことができます [1、2、3、4、5、6、7]。 しかし、特に土壌や堆積物などの複雑な環境におけるファージと宿主の動態や生態学的相互作用の予測を可能にする堅牢な機構モデルが我々には不足しています。 いくつかの研究では、土壌要素循環に対するファージの影響を実証しようと試みていますが、結果は変動しており、明らかに状況に依存しています[1、2、3、4、5]。 そのため、陸上生態系全体の元素循環に対するファージの捕食の影響の大きさと、このプロセスの機構的な生物地球化学は依然としてとらえどころのないままである。

海洋環境では、ファージ溶解は全細菌死亡率の約 40 ～ 50% の原因となっており、これは原虫による捕食の寄与とほぼ同等です [6]。 ファージの捕食後に死んだ細菌細胞から放出される炭素は、海洋炭素循環における「ウイルスシャント」を引き起こします[7]。 しかし、陸上システムでは、元素循環動態に対するファージの寄与はあまりよく特徴付けられておらず、特に土壌などの非常に不均一な環境では、より変動しやすいようです[1、2、3、4、5]。

陸上生態系におけるファージ動態の機構モデルが存在しない場合、因果関係を特定するために細菌：ウイルス比と環境パラメータの間の相関関係を解釈することは困難です[8]。 いくつかの研究により、自然系における宿主細菌のブルームと捕食性ファージとの間の強い関係が特定されている[9、10]。 したがって、捕食性ファージの成功には、宿主の存在量に影響を与える環境パラメータが重要であることがわかります。 たとえば、ファージの存在量は、宿主の増殖に必要な微生物の必須栄養素とエネルギー源の存在によって影響を受ける可能性があり[11、12]、微生物細胞密度とともにウイルス対微生物の比率が増加します[12]。 したがって、土壌では、砕屑性炭素の粒子または根の滲出液の微生物密度が高いため、これらはファージ捕食のホットスポットになるはずです。 さらに、炭素の品質は従属栄養微生物集団の組成を決定します [13、14]。 したがって、炭素組成が変化すると、ファージに感受性のある微生物集団の存在量も変化し、微生物要素の循環プロセスに対するファージの影響の可能性が変化することになります。