Вирус

Журнал ISME (2023 г.) Процитировать эту статью

905 Доступов

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Бактериальные патогены и вирусы являются основными причинами глобальных заболеваний, передающихся через воду. Здесь мы обнаружили интересную естественную парадигму «самоочищения» воды посредством взаимодействия вируса и патогена на протяжении 1432 км вдоль среднего маршрута водозаборного канала с юга на север (MR-SNWDC) в Китае, крупнейшего водного канала. трансферный проект в мире. Из-за чрезвычайно низкого содержания общего фосфора (TP) (ND-0,02 мг/л) в MR-SNWDC, во всем канале наблюдается длительное ограничение фосфора (P) с момента его эксплуатации в 2015 году. На основе 4443 метагеномных данных. геномов (MAG) и 40 261 неизбыточных вирусных операционных таксономических единиц (vOTU), полученных в результате нашей недавней кампании по мониторингу, мы обнаружили, что жилые вирусы, испытывающие экстремальные ограничения P, должны были принять специальные адаптивные стратегии, укрывая меньшие геномы, чтобы минимизировать репликацию нуклеотидов, репарацию ДНК и посттрансляционные процессы. затраты на модификацию. С уменьшением поступления фосфора в нисходящем направлении бактериальные патогены демонстрировали подавленную экологическую приспособленность и потенциал роста, а также ослабленную способность поддерживать приобретение фосфора, образование мембран и биосинтез рибонуклеотидов. Следовательно, уникальные эффекты вирусного хищничества при ограничении P, характеризующиеся усилением вирусных литических инфекций и повышенным количеством генов рибонуклеотидредуктазы (RNR), связанных с циклами репликации вирусной ядерной ДНК, привели к неожиданному снижению рисков для здоровья от передающихся через воду бактериальных патогенов в воде ниже по течению. - приемные территории. Эти результаты подчеркнули большой потенциал самоочищения воды, связанный с динамикой вирусов и патогенов, для улучшения качества воды и устойчивого управления водными ресурсами.

Бактериальные патогены представляют собой популяции, распространяющие риск в различных средах, в то время как вирусы демонстрируют наиболее разнообразное и частое взаимодействие в качестве естественных конкурентов и хищников этих патогенов. Типичный вирусный образ жизни включает лизогенный, литический и хронический инфекционные циклы [1], при этом вирулентные вирусы способствуют немедленному лизису хозяина [2] и умеренные вирусы, интегрирующие геномы в клетки-хозяева во время лизогенного периода [3]. Поскольку репликация и сборка вирусов в значительной степени зависят от хозяев в плане питательных веществ и энергии, частые взаимодействия между клетками и вирусами в условиях ограниченного количества питательных веществ, особенно в средах с ограниченным содержанием фосфора (P), могут регулировать динамику популяций патогенов и, следовательно, влиять на качество воды в водных экосистемах.

Большой набор водных микробов демонстрирует чувствительную динамику, связанную с множеством сигналов окружающей среды. Изменения температуры, pH и содержания питательных веществ служат источниками естественного отбора для видов с высокой адаптивностью и приводят к сильным колебаниям состава сообщества [4]. Такие питательные вещества, как фосфор и азот (N), являются основными факторами, ограничивающими рост фототрофных микробов, и могут в дальнейшем влиять на продуктивность гетеротрофов через микробную петлю [5]. В экологической теории закон минимума Либиха подразумевает, что потенциал роста микроорганизмов может зависеть от того, какое питательное вещество является наиболее ограничивающим [6]. Для границы N- или P-олиготрофности предусмотрены три контрольных значения, основанные на комбинациях концентраций общего N (TN) и общего P (TP), включая критерии Додда (TP < 0,025 мг/л, TN < 0,7 мг/л). , стандарт качества воды Великобритании (TP < 0,02 мг/л, TN < 1,5 мг/л) и стандарт качества воды Норвегии (TP < 0,02 мг/л, TN < 0,6 мг/л) [7, 8]. Фракции питательных веществ (особенно соотношение N:P) также помогают определить ограничения питания в конкретных условиях. Например, соотношение Редфилда N:P обеспечивает «оптимальное» стехиометрическое соотношение питательных веществ (16:1) в качестве эталона для морского и пресноводного фитопланктона. Поскольку консенсус относительно идеального стехиометрического соотношения питательных веществ для бактерий не был достигнут, соотношение Редфилда использовалось приблизительно для вывода о потенциальных условиях N-ограничения или P-ограничения [9]. Согласно данным долгосрочного мониторинга временных рядов, в некоторых регионах океана с ограниченным фосфором соотношение N:P выше, чем значение Редфилда, например, в восточной части Средиземноморья (~28:1), на Бермудских островах в Атлантическом океане. Место исследования (>24:1) и станция ALOHA в субтропическом круговороте северной части Тихого океана (16:1–25:1) [10,11,12]. Кроме того, Шанц и Юон считают соотношение N:P 20:1 эталонным значением для определения условий с ограниченным содержанием фосфора в пресной воде [13]. Гилфорд и Хеки предположили, что ограничение только фосфора происходит, когда соотношение N:P превышает 22,6 в озерных экосистемах [14]. Макромасштабное исследование сотен озер в США показало, что среднее соотношение N:P составляет ~54:1 в озерах с ограниченным содержанием фосфора [15]. В последние годы более высокие соотношения N:P наблюдались также в крупных реках мира, например, в реке Янцзы (~53:1), реке Хань (~65:1) и реке По (~100:1). [16,17,18]. Р имеет фундаментальное значение для синтеза АТФ, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и других ключевых биомолекул [19]. Снижение доступности Р может влиять на биогенез цитоплазматической мембраны, приводя к нарушению ионного гомеостаза и изменению морфологии клеток [20]. Более того, длительный дефицит P может вызвать серьезное подавление основных клеточных процессов, включая фиксацию углерода, репликацию ДНК и биосинтез белка [21], и даже вызвать остановку клеточного цикла и апоптоз.