海洋中藍(lán)藻的絕對(duì)體積使其成為全球碳循環(huán)中的主要參與者，并且導(dǎo)致多達(dá)三分之一的碳固定。這些光合微生物，包括Prochlorococcus和Synechococcus，很小 - 在一升水中可以找到多達(dá)1億個(gè)細(xì)胞 - 但它們并不是地球上最豐富的實(shí)體。這種區(qū)別在于病毒，每1 mL海水中可以找到多達(dá)1億個(gè)病毒。然而，研究人員對(duì)水中的病毒知之甚少，除了有三種病毒，并且它們能夠大幅減少藍(lán)藻種群，影響生物地球化學(xué)循環(huán)的全球調(diào)節(jié)。

為了幫助解決這種顯著的知識(shí)缺乏問(wèn)題并更多地了解病毒多樣性，由亞利桑那大學(xué)教授，美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的合作者M(jìn)att Sullivan領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)， DOE辦公室科學(xué)用戶(hù)設(shè)施 使用改變游戲規(guī)則的新技術(shù)進(jìn)行了人口規(guī)模的調(diào)查。他說(shuō)，他們的研究結(jié)果表明存在病毒生態(tài)學(xué)，可以通過(guò)利用更多傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行研究。該作品于2014年7月13日在Nature上發(fā)表。

“我經(jīng)常開(kāi)玩笑說(shuō)，病毒只有它們的微生物宿主一樣有趣，”沙利文說(shuō)，“這使得噬藻體非常重要。它們不僅通過(guò)藍(lán)細(xì)菌的死亡影響海洋光合作用，而且這些病毒還編碼光合作用基因 - 與JGI合作發(fā)現(xiàn)了十年的發(fā)現(xiàn) - 這意味著噬藻體有助于推動(dòng)全球生物地球化學(xué)循環(huán)，這對(duì)于運(yùn)行各種能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。行星。如果我們想要發(fā)展預(yù)測(cè)能力，我們面臨的挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)一種方法，使我們能夠同時(shí)檢測(cè)海水中數(shù)百萬(wàn)種非藍(lán)細(xì)菌病毒的數(shù)千種(或更多種)野生藍(lán)藻病毒 - 這將使我們超越學(xué)習(xí)關(guān)于他們一次一個(gè)。“

沙利文的研究小組專(zhuān)注于從加利福尼亞州蒙特利灣收集的單一水樣中分離出的噬菌體。為了解決在海洋病毒和藍(lán)細(xì)菌中找出“誰(shuí)感染誰(shuí)”的挑戰(zhàn)，他們采用了一種稱(chēng)為病毒標(biāo)記的技術(shù)，其中病毒所謂的“宿主誘餌”用熒光染料染色，以便找出噬菌體與哪些宿主相關(guān)。沙利文認(rèn)為該項(xiàng)目的最初想法是研究共同作者Phil Hugenholtz，他以前是DOE JGI研究員，現(xiàn)任昆士蘭大學(xué)澳大利亞生態(tài)基因組學(xué)中心主任。

“我們隨后發(fā)現(xiàn)用熒光病毒”標(biāo)記“細(xì)菌的基本思想并不新穎，早在1985年就有人提出，但病毒標(biāo)記的新穎之處在于將其與流分選和測(cè)序相結(jié)合，”Hugenholtz說(shuō)。“病毒標(biāo)記結(jié)合流動(dòng)分選和測(cè)序提供了宿主 - 噬菌體范圍的無(wú)偏見(jiàn)。”

在篩選被標(biāo)記為與單個(gè)聚球藍(lán)細(xì)菌屬菌株(Syn WH803)相關(guān)的噬菌體后，將病毒群體宏基因組的樣品送至DOE JGI進(jìn)行測(cè)序，作為Sullivan提出的社區(qū)科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目的一部分。結(jié)果表明，至少有26個(gè)病毒群體與藍(lán)藻菌株相關(guān)，其中許多已在培養(yǎng)中被發(fā)現(xiàn)和鑒定。此外，研究人員寫(xiě)道，“病毒標(biāo)簽也為Syn WH7803 特有的42種新的未培養(yǎng)病毒提供了證據(jù)...... [A]盡管進(jìn)行了20年的隔離研究，但這一單一宿主的特定病毒的多樣性前所未有。“

該研究還得益于喬治亞理工學(xué)院副教授兼理論生態(tài)學(xué)家Joshua Weitz的合作，他在UA的Sullivan實(shí)驗(yàn)室休假。“這種新方法提供了與特定宿主相關(guān)的病毒的令人難以置信的新穎序列數(shù)據(jù)，”Weitz解釋說(shuō)。“這項(xiàng)工作是開(kāi)發(fā)一種計(jì)算基因組群體的方法的基礎(chǔ)，這些群體可作為病毒如何與宿主微生物相互作用的更嚴(yán)格的預(yù)測(cè)模型的起始材料。我們現(xiàn)在可以用他們的基因組來(lái)映射病毒群體，而不是計(jì)算“點(diǎn)”，提供有關(guān)他們是誰(shuí)以及他們做什么的信息。

該小組提出了幾項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，其中可能主要是在“基因組序列空間”(研究人員用來(lái)同時(shí)顯示許多病毒的相關(guān)性的抽象方法)中繪制的熒光標(biāo)記的噬菌體序列存在于離散群體中。這意味著通過(guò)“猖獗的鑲嵌現(xiàn)象”進(jìn)化的病毒基因組的傳統(tǒng)知識(shí) - 即重組來(lái)自不同噬藻體的區(qū)段或模塊 - 可能是錯(cuò)誤的。相反，這些噬藻體基因組“簇”表明野生中存在離散的群體結(jié)構(gòu)。

“這里的新發(fā)現(xiàn)并不是病毒的數(shù)量，而是人口的結(jié)構(gòu)性，”沙利文說(shuō)。“由于復(fù)雜自然群落中的這些離散群體以及與每個(gè)群體相關(guān)的基因組序列信息，我們正在產(chǎn)生關(guān)于可能驅(qū)動(dòng)特定群體 - 宿主相互作用和特定群體豐度的假設(shè) - 即病毒生態(tài)學(xué)。你可以追蹤一個(gè)群體在基因水平上如何隨時(shí)間變化 - 這是病毒進(jìn)化，“他說(shuō)。“之前的想法是，病毒基因組序列空間將是一個(gè)很大的模糊，但這表明我們可以計(jì)算和研究單位。這代表了一個(gè)全新的球賽，并開(kāi)辟了病毒生態(tài)學(xué)，利用數(shù)十年的理論和實(shí)踐，研究更傳統(tǒng)的大型生物研究。