I sötvattensjöar, mikrober reglerar flödet av kol och avgör om vattenmassorna fungerar som kolsänkor eller kolkällor. Speciellt alger och cyanobakterier kan fånga och använda kol, men deras förmåga att göra det kan påverkas av virus. Virus finns bland alla bakterier, vanligtvis i ett 10-faldigt överskott, och består av olika storlekar, allt från jättevirus, till mycket mindre virus som kallas virofager (som lever i jättevirus och använder sina maskiner för att replikera och spridas.) Virofager kan förändra hur ett jättevirus interagerar med sin eukaryota värdcell. Till exempel, om alger samtidigt är infekterade av en virofag och ett jättevirus, virofagen begränsar jättevirusets förmåga att replikera effektivt. Detta minskar effekten av ett jättevirus på avledningen av näringsämnen, låta värdalgerna föröka sig, vilket kan leda till tätare algblomningar.

Med hjälp av metagenomdatauppsättningar som samlats in under flera år i norra sötvattensjöar, ett team ledd av forskare vid Ohio State University och U.S. Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI), en användaranläggning för DOE Office of Science, upptäckte 25 nya sekvenser av virofager. Rapporterade 11 oktober, 2017 in Naturkommunikation , identifieringen av dessa nya sekvenser fördubblar effektivt antalet virofager kända sedan de upptäcktes för ett decennium sedan.

"Vanligtvis är metagenomdatauppsättningar engångsföreteelser, " sa DOE JGI-forskaren och första författaren Simon Roux. "Folk hade börjat se virofager i metagenomer, men ingen hade en lång tidsserie förrän nu. Var det här en gång? Alltid? Vi visste aldrig riktigt detta, men det är en viktig del av information för att förstå deras betydelse."

Arbetet härrörde från ett förslag till Community Science Program (CSP) som involverade norra sötvattensjöar av KT (Trina) McMahon från University of Wisconsin-Madison. Prover av mikrobiella samhällen i Lake Mendota och Trout Bog Lake samlades regelbundet in under flera år som en del av det NSF-finansierade North Temperate Lakes Long Term Ecological Research-projektet (NTL-LTER) från National Science Foundation. Att sekvensera och analysera dessa metagenomer från 3- och 5-års tidsserierna gör det möjligt för forskare att identifiera gemenskapsmedlemmarna, bestämma deras metaboliska vägar, och följa förändringar i samhällen under flera år.

Utöver att titta på de mikrobiella samhällena, McMahon och Rex Malmström, chef för DOE JGI Micro-Scale Applications-gruppen, frågade samarbetspartnern Matt Sullivan vid Ohio State University om han skulle vara intresserad av att använda samma metagenomiska datamängder för att titta på sjöarnas virala ekologi. Roux började bryta datamängderna medan han fortfarande var postdoktor vid Sullivan-labbet. "Jag visste att det fanns massor av virus i sekvensdata, men inte att vissa virus själva var värdar för andra virus, ", sa Malmström. "Med tidsseriedata kunde vi göra mer än att samla genom och bygga fylogenetiska träd, datana gjorde det möjligt för oss att undersöka genetisk variation inom populationer och leta efter samtidig förekomst och överflödsmönster mellan virofager och deras gigantiska virusvärdar. Med så många tidpunkter i datamängden, du kan hitta starka kopplingar."

Trina McMahon, vars CSP-datauppsättningar låg till grund för detta arbete, säger att ha den virala ekologiinformationen hjälper till att bilda en mer komplett bild av ekosystemet. "Vi är glada över att ha en bit till i pusslet. Virus spelar helt klart en viktig roll i att forma gemenskapssammansättningen och fungerar därför, av hela sjöns ekosystem. Mitt eget labb saknar expertis för att hantera virus ensam, därför är samarbetet med Simon och Matt Sullivan så viktigt. Vårt långsiktiga mål är att lära oss tillräckligt mycket om de krafter som styr samhällsförsamlingen och dynamiken, såväl som de ekologiska egenskaperna hos varje härstamning, för att skapa mer prediktiva modeller om hur sötvattensjöar kommer att reagera på klimat- och markanvändningsförändringar, i ekosystemskala."

Aside from doubling the number of virophages in public databases, the time series allowed Roux and his colleagues to see the viruses' ecological profiles - if factors such as the seasons or abundance of particular microbes influenced their own presence. Through co-occurrence analysis, the researchers associated the virophages with sequences of known lineages of giant viruses, and proposed the existence of 3 new groups of candidate giant viruses infected by virophages. These co-occurrence analyses also allowed them to find putative associations between the giant virus sequences and specific eukaryotic hosts.

"These findings are correlation-based, " noted Roux, "but it's a good example of a metagenomics use case. Metagenomes helped us not only discover new viral diversity and determine what it should do in the ecosystem, but it helps us design hypothesis and follow-up experiments about virus-host interactions so we're not just throwing out a wide net blindly."