海洋中藍藻的絕對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1億個細(xì)胞 - 但它們并不是地球上最豐富的實體。這種區(qū)別在于病毒，每1 mL海水中可以找到多達1億個病毒。然而，研究人員對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缺乏問題并更多地了解病毒多樣性，由亞利桑那大學(xué)教授，美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的合作者Matt Sullivan領(lǐng)導(dǎo)的團隊， DOE辦公室科學(xué)用戶設(shè)施 使用改變游戲規(guī)則的新技術(shù)進行了人口規(guī)模的調(diào)查。他說，他們的研究結(jié)果表明存在病毒生態(tài)學(xué)，可以通過利用更多傳統(tǒng)方法對其進行研究。該作品于2014年7月13日在Nature上發(fā)表。

“我經(jīng)常開玩笑說，病毒只有它們的微生物宿主一樣有趣，”沙利文說，“這使得噬藻體非常重要。它們不僅通過藍細(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全球生物地球化學(xué)循環(huán)，這對于運行各種能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。行星。如果我們想要發(fā)展預(yù)測能力，我們面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)一種方法，使我們能夠同時檢測海水中數(shù)百萬種非藍細(xì)菌病毒的數(shù)千種(或更多種)野生藍藻病毒 - 這將使我們超越學(xué)習(xí)關(guān)于他們一次一個。“

沙利文的研究小組專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細(xì)菌中找出“誰感染誰”的挑戰(zhàn)，他們采用了一種稱為病毒標(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序相結(jié)合，”Hugenholtz說。“病毒標(biāo)記結(jié)合流動分選和測序提供了宿主 - 噬菌體范圍的無偏見。”

在篩選被標(biāo)記為與單個聚球藍細(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進行測序，作為Sullivan提出的社區(qū)科學(xué)計劃項目的一部分。結(jié)果表明，至少有26個病毒群體與藍藻菌株相關(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實驗室休假。“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。“這項工作是開發(fā)一種計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)測模型的起始材料。我們現(xiàn)在可以用他們的基因組來映射病毒群體，而不是計算“點”，提供有關(guān)他們是誰以及他們做什么的信息。

該小組提出了幾項重要發(fā)現(xiàn)，其中可能主要是在“基因組序列空間”(研究人員用來同時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“猖獗的鑲嵌現(xiàn)象”進化的病毒基因組的傳統(tǒng)知識 - 即重組來自不同噬藻體的區(qū)段或模塊 - 可能是錯誤的。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。“由于復(fù)雜自然群落中的這些離散群體以及與每個群體相關(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)。你可以追蹤一個群體在基因水平上如何隨時間變化 - 這是病毒進化，“他說。“之前的想法是，病毒基因組序列空間將是一個很大的模糊，但這表明我們可以計算和研究單位。這代表了一個全新的球賽，并開辟了病毒生態(tài)學(xué)，利用數(shù)十年的理論和實踐，研究更傳統(tǒng)的大型生物研究。