Metagenomsequenzierung und Hi-C-Technologie beleuchten die Interaktionen zwischen Bodenphagen und Wirten

Während der Boden eine Vielzahl von Phagen beherbergt, bleibt ein erheblicher Teil ihrer Wirtsorganismen unbekannt, was die genomische Charakterisierung erschwert. Eine aktuelle Studie hat diese Wissenslücke geschlossen, indem sie fortschrittliche Hochdurchsatz-Chromosomenkonformationsfängung (Hi-C) Technologie eingesetzt hat. Dieser innovative Ansatz ermöglicht die direkte Erfassung von Phagen-Wirt-Beziehungen im Boden und liefert empirische Beweise für die Rolle von Phagen bei der Gestaltung der bakteriellen Populationsdynamik in diesem Umfeld.

Schematische Darstellung des experimentellen Designs und des Datenanalyse-Workflows. (Wu et al., 2023)

Identifikation von Infektionen im Bodenmikrobiom mittels Hi-C Metagenom-Sequenzierung

Die Studie ergab 479 virale operationale taxonomische Einheiten (vOTUs), die alle als Phagen identifiziert wurden. Etwa die Hälfte dieser vOTUs entzieht sich einer Klassifizierung, während der Rest der Klasse Caudoviticetes zugeordnet wurde. Ein virales Baumdiagramm mit drei Hauptästen stellte effektiv die genomweite Ähnlichkeit der vOTUs in jeder Probe dar. Durch Hi-C Metagenomanalyse19 Phagen wurden eindeutig mit verschiedenen bakteriellen metagenomisch assemblierten Genomen (MAG) verknüpft.

Bodenphagen-Wirt-Interaktionen, die mit Hi-C-Metagenomik aufgedeckt wurden. (Wu et al., 2023)

Diese wirtsassoziierten Phagen machten einen bemerkenswerten Anteil von 5,3 % bis 15,0 % der gesamten Phagensequenzhäufigkeit aus, die in den Proben beobachtet wurde. Darüber hinaus entdeckte die Studie 124 CRISPR-Spacer-Sequenzen innerhalb von CRISPR-Arrays in MAG, die Übereinstimmungen mit Phagen aufwiesen und 121 einzigartige Phagen-Wirt-Junktionen offenbarten.

Hi-C und Metatranskriptom zeigen mehr Lysogenie nach Bodenbewässerung.

Die Studie verglich die Ergebnisse vor und nach einer zweiwöchigen Trocknungsinkubation, die die typische Sommer-Trocknung arider Prärieböden simulierte. Die Ergebnisse zeigten signifikante Veränderungen in der Bodenphagen-Gemeinschaft aufgrund der Bodentrocknung, wobei nur 18,0 % der gesamten viralen operativen taxonomischen Einheiten (vOTUs) sowohl in den vor- als auch in den nach der Trocknung untersuchten Böden nachgewiesen wurden.

Reichtum, Fülle und transkriptionale Aktivitäten von wirtsassoziierten vOTUs. (Wu et al., 2023)

Die Auswirkungen der Bodentrockenheit auf die mit dem Wirt assoziierten Phagen-Gemeinschaften waren bemerkenswert, wie durch Hi-C MetagenomanalyseDer nach dem Trocknen untersuchte Boden wies einen signifikant höheren Anteil an wirtsassoziierten vOTUs im Vergleich zum vor dem Trocknen untersuchten Boden auf (p < 0,05). Allerdings zeigte die relative Häufigkeit dieser wirtsassoziierten vOTUs keinen signifikanten Unterschied zwischen dem vor und nach dem Trocknen untersuchten Boden (p = 0,18).

Metatranskriptomische Daten lieferten zusätzliche Einblicke, die einen höheren Prozentsatz an transkriptionell aktiven, wirtsassoziierten vOTUs nach dem Trocknen des Bodens zeigten. Trotz dieses Anstiegs zeigte die durchschnittliche transkriptionale Aktivität dieser vOTUs jedoch einen Rückgang nach dem Trocknen des Bodens, was durch einen niedrigeren Prozentsatz an Transkripten, die mit wirtsassoziierten vOTUs übereinstimmten, angezeigt wurde.

Hi-C Rekonstruktion des Infektionsnetzwerks von Bodenphagen-Wirten

Metagenomisch assemblierte Genome (MAGs) Als Phagenwirte identifizierte Gruppen durch Hi-C-Sequenzierung umfassten verschiedene bakterielle Phyla, einschließlich Acidobacteria, Actinobacteria, Chlamydiae, Bakteriophagen, Gemmatimonadota und Proteobacteria. Jede MAG, die mit einem oder mehreren Phagen assoziiert war, bildete eine distincte Wirtgruppe.

In der vorgelagerten Trockenerde waren zwei der fünf wirtsassoziierten viralen operativen taxonomischen Einheiten (vOTUs) mit einem einzelnen Wirts-MAG verbunden, während die verbleibenden drei vOTUs mit mehreren Wirten (V1, V2 und V3) assoziiert waren. VOTUs, die mit mehreren Wirten verbunden sind, wiesen eine höhere Artenvielfalt und Abundanz auf im Vergleich zu denen, die mit einem einzelnen Wirt verknüpft sind. Bestimmte Wirte waren deutlich im Netzwerk der Ko-Vorkommen der bakteriellen Gemeinschaft konzentriert, was darauf hindeutet, dass Phageninfektionen die Interaktionen innerhalb der Boden-bakteriellen Gemeinschaft erheblich beeinflussen.

Phagen-Wirt-Infektionsnetzwerk und Analyse der Gemeinschaftskoexistenz. (Wu et al., 2023)

Das Netzwerk der gemeinschaftlichen Ko-Vorkommen wurde genutzt, um mikrobielle Mitglieder mit hoher Zentralität zu identifizieren, was auf ihre umfangreichen Verbindungen zu anderen Arten oder ihre zentrale Position im Netzwerk hinweist. Die Ergebnisse zeigten, dass MAGs, die als Phagenwirte fungieren, zu den zentralsten Knoten im Netzwerk gehörten. Interessanterweise erwies sich die Häufigkeit nicht als der Hauptfaktor, der die Zentralität im Netzwerk der Wirtsko-Häufigkeiten beeinflusste.

Phageninfektion reguliert die Dynamik der Wirtspopulationen

Die Studie vermerkte einen Anstieg der durchschnittlichen viralen Kopienzahl (VPH) pro Wirt und eine Reduzierung der viralen Transkriptionsaktivität nach einer zweiwöchigen Inkubation mit Bodentrockenheit, was auf einen Anstieg lysogener Infektionen hinweist. Darüber hinaus führte die Bodentrockenheit zu Veränderungen im beobachteten Phagen-Wirt-Spektrum. Bemerkenswert ist die erhebliche negative Korrelation zwischen VPH und Wirtshäufigkeit vor der Trocknung, die darauf hindeutet, dass erhöhte lysogene Infektionen zu einer erhöhten Wirtsterblichkeit führen, was sich negativ auf die Wirtshäufigkeit auswirkt.

Referenz:

1. Wu, R., Davison, M.R., Nelson, W.C. u. a. Hi-C-Metagenom-Sequenzierung zeigt Phagen-Wirt-Interaktionen im Boden. Nat Commun 14, 7666 (2023).