對于多細胞生命植物和動物 - 在海洋中茁壯成長，水中必須有足夠的溶解氧。在某些沿海地區(qū)，極度缺氧會產生“死亡區(qū)”，從而破壞海洋漁業(yè)并破壞食物網結構。隨著溶解氧水平的下降，能量越來越多地從多細胞生命轉移到微生物群落代謝中，從而影響海洋的生態(tài)和生物地球化學。

在過去的50年中，由于氣候變化和農場和城市的廢物徑流增加，氧氣最小區(qū)域(OMZs)已經擴大。目前全球有超過500個OMZ，其中大約8%的海洋體積被認為是缺氧的。這些缺氧水域中的微生物群落代謝直接影響營養(yǎng)和能量轉換過程，包括溫室氣體二氧化碳，甲烷和一氧化二氮的產生和消耗。了解微生物相互作用如何響應OMZ擴展變化對于理解海洋中耦合營養(yǎng)和生物地球化學循環(huán)以及大氣中溫室氣體平衡的組織原則至關重要。

與美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)合作，美國能源部科學辦公室用戶設施，不列顛哥倫比亞大學的Steven Hallam實驗室一直在研究由SUP05主導的微生物群落，SUP05是一個目前未經培養(yǎng)的微生物群體，在水柱最缺氧的地區(qū)茁壯成長的深海蛤和貽貝的共生體。在最近于2014年8月29日在eLife期刊上發(fā)表的一項研究中，Hallam與另一位DOE JGI合作者，亞利桑那大學的Matt Sullivan合作，研究感染SUP05的海洋病毒，以更好地了解病毒感染如何影響SUP05的生態(tài)和代謝潛力。

“這項研究代表了第一次，利用單細胞基因組學的獨特優(yōu)勢，以完全不依賴培養(yǎng)的方式探索病毒 - 宿主動態(tài)，包括病毒共感染，”DOE JGI負責人Tanja Woyke指出。微生物計劃和本研究的共同作者。“由此產生的數據為未來的實驗工作奠定了堅實的基礎，”她補充道。Woyke也對將這項工作擴展到微生物樹的暗物質分支感到興奮。

在Gordon和Betty Moore基金會研究員獎的支持下，博士后研究員Simon Roux領導開發(fā)了一種新方法來識別微生物數據集中的病毒序列，這種方法將單細胞基因組學與病毒和微生物宏基因組測序相結合，以探索病毒。 - 空間和時間的主機交互動態(tài)。這項研究的一個主要結論是，病毒似乎比陽光照射的地表水中的海洋微生物生態(tài)更為重要。

Hallam實驗室研究了位于加拿大不列顛哥倫比亞省溫哥華島海岸的季節(jié)性缺氧(缺氧)峽灣Saanich Inlet的SUP05主導社區(qū)，這是一個研究OMZs的天然實驗室。Saanich Inlet最近的研究估計，SUP05細菌可能占全球初級生產力的5%，這使它們成為海洋碳循環(huán)的關鍵參與者。

“無論何時從分離株或單細胞中對基因組進行測序，您都可能同時對感染病毒基因組進行測序，并且長期以來，由于對細胞基因組的關注，這些病毒序列已被忽略，”Hallam說。“通過單細胞基因組學方法，我們能夠在未開墾的微生物的自然群體中定義譜系特異性感染，為微生物和病毒的進化和生態(tài)打開了前所未有的窗口。”Hallam實驗室單細胞測序工作得到了資助來自圖拉基金會，G。Unger Vetlesen基金會和Ambrose Monell基金會。

在該研究中，該團隊從三個深度跨越Saanich Inlet氧氣梯度(100,150和185米)收集了數千個單獨的細菌細胞。Bigelow海洋科學實驗室從該系列中回收了近130個SUP05單擴增基因組(SAG)，并在不列顛哥倫比亞省溫哥華的基因組科學中心測序。然后在DOE JGI組裝，質量檢查和注釋序列。發(fā)現42個測序的SUP05 SAG含有總共69種病毒，代表5個新屬。這些病毒序列提供了新的參考基因組，并啟用了許多生態(tài)進化調查，包括譜系特異性病毒感染和死亡率估計，生物地理學和輔助代謝基因潛力。例如，使用新的病毒基因組作為“鉤子，

“在這一點上，有很多微生物群落序列數據，但獲取病毒序列數據要困難得多，”沙利文說。“我們所做的是利用為微生物生態(tài)學生成的微生物數據集，并使該過程自動化，以便能夠在該數據中查看病毒。在這里，結果讓我們感到驚訝，因為看起來雖然陽光照射的海洋水域中的病毒殺死了大約三分之一的細胞并且有機碳可用于較小的細胞，但在OMZ中似乎也是如此 - 甚至在海洋下方數百或數千米處也是如此。表面。此外，數據的性質意味著我們可以首次查看單個群體的病毒死亡率，而不僅僅是社區(qū)范圍內的數據。這對于專門檢查病毒 - 宿主相互作用動態(tài)至關重要，

SUP05呼吸硝酸鹽并呼出一氧化二氮。這種呼吸過程與二氧化碳固定和有毒硫化氫的去除相結合。SUP05在非硫化物氧最小區(qū)域中的存在促使描述了隱含的硫循環(huán)，其將SUP05的代謝活性與參與氮和硫循環(huán)的其他微生物聯(lián)系起來。“我們最終有興趣了解的是，不同的微生物群如何相互作用來驅動OMZ中的碳，氮和硫循環(huán)，”Hallam說。“SUP05是OMZ中代謝偶聯(lián)的樞紐。通過研究感染SUP05的病毒，我們開始認識到病毒可以改變微生物群落的網絡屬性，從而產生營養(yǎng)和能量轉換過程的反饋，包括氣候活性氣體的生產和消費。這就是故事中一個有趣的轉折點。鑒于SUP05細胞中有三分之一可能在任何特定時間被感染，碳固定和能量代謝在多大程度上受到病毒裂解或重編程的調節(jié)?

雖然該團隊仍在努力弄清楚SUP05正在修復多少碳，以及細菌釋放多少溫室氣體一氧化二氮，但哈拉姆指出，這項工作提供了一些工具，使研究人員能夠以這樣的方式研究這些相互作用。可以帶來更好的生態(tài)系統(tǒng)模型。沙利文指出，另一個研究方向是“走向全球并走向黑暗”，擴大他們正在尋找的數據集，以探索病毒和微生物的暗物質。

Hallam和Sullivan都贊同他們與DOE JGI的合作，特別是通過CSP，以獲得研究OMZ中病毒 - 宿主相互作用的機會和能力。“這些CSP機會對于建立社區(qū)資源至關重要。例如，當研究人員分離出一種新病毒并想知道它是否存在于世界各地時，它有助于將其基因組與可用的病毒宏基因組數據集進行比較。目前，至少有一半來自我們的兩個CSP項目，以形成'太平洋Virome'數據集，“沙利文說。“對于病毒學，目前這是唯一可用的系統(tǒng)和定量數據集，因此結果為進行生態(tài)推理提供了堅實的基礎。這種數據規(guī)模至關重要，

Hallam指出，通過CSP計劃，他的實驗室已經能夠生成340個人類基因組當量的時間分辨微生物宏基因組和來自OMZ的元相互作用數據。“這是目前存在的最大數據集，專門針對OMZ，”Hallam說。“由此產生的開放存取檔案促進了綜合科學。當我們編寫這些最初的CSP提案時，我們沒有想到這種綜合。然而，隨著新的科學問題成為關注焦點，擁有存檔到位可以讓我們獲得后見之明。“

Hallam還表示，他們的實驗室通過CSP生成的數據使他們能夠與太平洋西北國家實驗室的DOE科學辦公室用戶設施環(huán)境分子科學實驗室開展合作項目。“在一個國家實驗室中產生的基因組學和轉錄組學數據賦予了另一個專注于蛋白質組學和代謝組學信息的假設驅動研究。人員，項目和平臺之間的這些合作正在以新的和意想不到的方式打開自然和工程生態(tài)系統(tǒng)中系統(tǒng)生物學的閘門。“