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Jul 20, 2023

The ISME Journal (2023) Citare questo articolo

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Gli agenti patogeni batterici e i virus sono le principali cause di malattie trasmesse dall’acqua a livello mondiale. Qui, abbiamo scoperto un interessante paradigma naturale di “auto-purificazione” dell’acqua attraverso le interazioni virus-patogeno su un continuum di 1432 km lungo la rotta centrale del canale di deviazione dell’acqua da sud a nord (MR-SNWDC) in Cina, il più grande canale d’acqua progetto di trasferimento nel mondo. A causa del contenuto estremamente basso di fosforo totale (TP) (ND-0,02 mg/L) nell'MR-SNWDC, l'intero canale ha subito una limitazione di fosforo (P) di lunga durata sin dalla sua messa in funzione nel 2015. Basato su 4443 assemblaggi metagenomici genomi (MAG) e 40.261 unità tassonomiche operative virali non ridondanti (vOTU) derivate dalla nostra recente campagna di monitoraggio, abbiamo scoperto che i virus residenziali che sperimentavano vincoli P estremi dovevano adottare speciali strategie adattative ospitando genomi più piccoli per ridurre al minimo la replicazione dei nucleotidi, la riparazione del DNA e la capacità post-traduzionale. costi di modifica. Con la diminuzione dell’apporto di P a valle, i patogeni batterici hanno mostrato fitness ambientale e potenziale di crescita repressi e una capacità indebolita di mantenere l’acquisizione di P, la formazione di membrane e la biosintesi dei ribonucleotidi. Di conseguenza, gli effetti unici di predazione virale sotto limitazione di P, caratterizzati da infezioni litiche virali potenziate e da una maggiore abbondanza di geni della ribonucleotide reduttasi (RNR) collegati ai cicli di replicazione del DNA nucleare virale, hanno portato a rischi per la salute inaspettatamente inferiori da agenti patogeni batterici presenti nell’acqua a valle. -aree di ricezione. Questi risultati hanno evidenziato il grande potenziale dell’autodepurazione dell’acqua associata alle dinamiche virus-patogeno per il miglioramento della qualità dell’acqua e la gestione sostenibile delle risorse idriche.

Gli agenti patogeni batterici sono popolazioni che diffondono il rischio in ambienti diversi, mentre i virus mostrano le interazioni più diverse e frequenti come concorrenti naturali e predatori di questi agenti patogeni. Gli stili di vita virali tipici includono cicli di infezione lisogenica, litica e cronica [1], con virus virulenti che contribuiscono alla lisi immediata dell'ospite [2] e virus temperati che integrano i genomi nelle cellule ospiti durante il periodo lisogenico [3]. Poiché la replicazione e l’assemblaggio virale dipendono fortemente dagli ospiti per i nutrienti e l’energia, le frequenti interazioni tra cellule e virus in condizioni limitate di nutrienti, in particolare in ambienti vincolati dal fosforo (P), potrebbero regolare le dinamiche della popolazione patogena e di conseguenza influenzare la qualità dell’acqua negli ecosistemi acquatici.

Ampi repertori di microbi acquatici mostrano dinamiche sensibili associate a molteplici segnali ambientali. I cambiamenti nella temperatura, nel pH e nel contenuto di nutrienti agiscono come fonti di selezione naturale per le specie con elevata adattabilità e determinano fluttuazioni di alto livello nella composizione della comunità [4]. Nutrienti come P e azoto (N) sono i principali fattori limitanti la crescita dei microbi fototrofici e potrebbero influenzare ulteriormente la produttività degli eterotrofi attraverso il ciclo microbico [5]. Nella teoria ecologica, la legge del minimo di Liebig implica che il potenziale di crescita dei microrganismi può dipendere da quale nutriente è il più limitante [6]. Sono forniti tre valori di riferimento per il limite N- o P-oligotrofico in base alle combinazioni della concentrazione di N totale (TN) e P totale (TP), inclusi i criteri di Dodd (TP < 0,025 mg/L, TN < 0,7 mg/L) , lo standard di qualità dell'acqua del Regno Unito (TP < 0,02 mg/L, TN < 1,5 mg/L) e lo standard di qualità dell'acqua norvegese (TP < 0,02 mg/L, TN < 0,6 mg/L) [7, 8]. Le frazioni nutritive (in particolare il rapporto N:P) aiutano anche a definire le limitazioni nutrizionali in ambienti particolari. Ad esempio, il rapporto Redfield di N:P fornisce un rapporto stechiometrico dei nutrienti “ottimale” (16:1) come riferimento per il fitoplancton marino e di acqua dolce. Poiché non è stato raggiunto un consenso sul rapporto stechiometrico ideale dei nutrienti per i batteri, il rapporto Redfield è stato utilizzato approssimativamente per dedurre potenziali condizioni N-limitate o P-limitate [9]. Alcune regioni oceaniche con limitato P di grande preoccupazione hanno mostrato rapporti N:P più elevati rispetto al valore Redfield secondo i dati di monitoraggio delle serie temporali a lungo termine, ad esempio, nel Mediterraneo orientale (~ 28:1), la serie temporale Bermuda Atlantic Sito di studio (>24:1) e la stazione ALOHA nel vortice subtropicale del Pacifico settentrionale (16:1–25:1) [10,11,12]. Inoltre, Schanz e Juon considerano il rapporto N:P di 20:1 come un valore di riferimento per determinare le condizioni P-limitate in acqua dolce [13]. Guildford e Hecky hanno proposto che la limitazione del solo P si verifichi quando il rapporto N:P supera 22,6 negli ecosistemi lacustri [14]. Un'indagine su macroscala di centinaia di laghi negli Stati Uniti ha mostrato un rapporto N:P medio di ~ 54:1 nei laghi con P limitato [15]. Negli ultimi anni, rapporti N:P più elevati sono stati osservati anche nei grandi fiumi globali, ad esempio il fiume Yangtze (~53:1), il fiume Han (~65:1) e il fiume Po (~100:1). [16,17,18]. Il P è di fondamentale importanza per la sintesi di ATP, acidi nucleici, fosfolipidi e altre biomolecole chiave [19]. La ridotta disponibilità di P può influenzare la biogenesi della membrana citoplasmatica, portando all’interruzione dell’omeostasi ionica e ai cambiamenti nella morfologia cellulare [20]. Inoltre, una carenza di P di lunga durata potrebbe causare una grave repressione dei processi cellulari di base, tra cui la fissazione del carbonio, la replicazione del DNA e la biosintesi delle proteine ​​[21], e persino indurre l’arresto del ciclo cellulare e l’apoptosi.

70% and contamination < 10%. The selected thresholds of MAGs were more rigorous than the medium-quality-level based on the Minimum Information about a Metagenome-Assembled Genome (MIMAG) criteria (completeness ≥ 50%, contamination < 10%) [47], and help provide both abundant and robust community-wide information for residential bacteria in the MR-SNWDC. To ensure reliability of the results, subsequent downstream analyses were also performed for high-quality genomes (completeness > 90%, contamination < 5%) in parallel. Taxonomic assignment of each MAG was conducted using GTDB-Tk [48] based on Genome Taxonomy Database (GTDB, http://gtdb.ecogenomic.org) Release 202./p> 0.85 and p values < 0.05 were retained based on the DeepVirFinder tool. Then, CheckV v0.7.0 [54] was applied to estimate the completeness of all contigs identified with the five tools. Contigs containing provirus integration sites were first processed to remove host regions. The selection of putative viral contigs was based on the following criteria: (I) <90% completeness (low/medium-quality) and contig length ≥ 5 kb; (II) ≥90% completeness (high-quality and complete). Viral contigs identified from all assemblies were dereplicated and clustered at 95% average nucleotide identity (ANI) using CD-HIT v4.8.1 [55] (-c 0.95; -aS 0.85). The representative nonredundant sequences were denoted as vOTUs. Taxonomic annotations of vOTUs were performed using geNomad v1.3.0 (https://github.com/apcamargo/genomad). BACPHLIP [56] was applied to predict the lifestyles of vOTUs with high-quality or complete genomes./p> 0 and \({{{{{\rm{ABUN}}}}}}_{{{{{{\rm{Reg}}}}}}_{1,i}} = 0\)), “promoted” (RGF > 0 and \({{{{{\rm{ABUN}}}}}}_{{{{{{\rm{Reg}}}}}}_{1,i}} > 0\)), “inhibited” (RGF < 0 and \({{{{{\rm{ABUN}}}}}}_{{{{{{\rm{Reg}}}}}}_{x,i}} > 0\)), and “vanished” (\({{{{{\rm{ABUN}}}}}}_{{{{{{\rm{Reg}}}}}}_{x,i}} = 0\))./p> 2) might be needed to support the seasonal shifts in viral communities. Four distinct ecological regions emerged for the endemic spatial distribution of viral communities (p < 0.001, Fig. 1B, C, and Table S3), defined as Reg 1 (Danjiangkou Reservoir: 01–02), Reg 2 (upstream: 03–18), Reg 3 (downstream: 19–28), and Reg 4 (water-receiving areas: 29–32)./p>0.85) between the four regions, indicating high concordance in the frequency of viral occurrence in the whole canal (Fig. S2). Furthermore, the spatial distribution of viral populations from upstream to downstream demonstrated that approximately 75% of vOTUs in the whole MR-SNWDC were observed first in the Danjiangkou Reservoir, specifically accounting for 75~90% of viral richness in each of the three concerned main-canal regions (Fig. 1D). The spatiotemporal pattern of viral communities was consistent with that of bacterial communities represented by 4443 MAGs, although a general balance of viral richness was maintained with a significant loss of bacterial richness downstream (Fig. S3)./p>0.05). The COG functions include: A (RNA processing and modification), B (Chromatin structure and dynamics), C (Energy production and conversion), D (Cell cycle control, cell division, chromosome partitioning), E (Amino acid transport and metabolism), F (Nucleotide transport and metabolism), G (Carbohydrate transport and metabolism), H (Coenzyme transport and metabolism), I (Lipid transport and metabolism), J (Translation, ribosomal structure and biogenesis), K (Transcription), L (Replication, recombination and repair), M (Cell wall/membrane/envelope biogenesis), N (Cell motility), O (Posttranslational modification, protein turnover, chaperones), P (Inorganic ion transport and metabolism), Q (Secondary metabolites biosynthesis, transport and catabolism), T (Signal transduction mechanisms), U (Intracellular trafficking, secretion, and vesicular transport), V (Defense mechanisms), W (Extracellular structures), and Z (Cytoskeleton). Source data are provided in the Source Data file./p> 90%, contamination < 5%), confirming the reliability of the results (Fig. S12). In addition to the P-based genes, we investigated other functional genes associated with carbohydrate, energy, nitrogen, sulfur, and nucleotide metabolism, and found a consistent decline in the average copy number of these genes along the canal (Fig. S13). The extremely low-P supply in downstream regions may fall outside the range of P contents in which bacteria can maintain normal physiological activities, thus showing weakened biological functions related to P acquisition and other basic cellular processes. The universally inhibited presence of P-associated genes, as well as the repressed richness and growth potential of bacteria, suggested their low environmental fitness under selection driven by P constraints./p>60%) to Reg 4 (<40%), and the number of vanished pathogens in Reg 4 was almost tenfold of that in Reg 2 (Fig. 6A). Meanwhile, ten bacterial pathogens carrying multiple ARGs, as antibiotic-resistant super pathogens, appeared upstream but were almost eliminated in the water-receiving areas (Fig. 6B), suggesting a reduction in the current health risks posed by antibiotic-resistant pathogens./p>