Restrições geoquímicas na infectividade de bacteriófagos em ambientes terrestres

ISME Communications volume 3, Artigo número: 78 (2023) Citar este artigo

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Os fagos líticos podem ser inibidores potentes e seletivos do crescimento microbiano e podem ter impactos profundos na composição e função do microbioma. No entanto, existe incerteza sobre as condições biogeoquímicas sob as quais a predação de fagos modula a função do ecossistema microbiano, particularmente em sistemas terrestres. A força iônica é crítica para a infecção de bactérias por muitos fagos, mas os dados quantitativos são limitados sobre os limiares iônicos para a infecção por fagos que podem ser comparados com as concentrações ambientais de íons. Da mesma forma, embora a composição do carbono varie no ambiente, não sabemos como esta variabilidade influencia o impacto da predação por fagos na função do microbioma. Aqui, medimos as concentrações efetivas semimáximas (EC50) de 80 íons inorgânicos diferentes para a infecção de E. coli com dois fagos canônicos de dsDNA e ssRNA, T4 e MS2, respectivamente. Muitos metais alcalino-terrosos e alcalinos permitiram a infecção lítica, mas os limites de força iônica variaram para diferentes íons entre fagos. Além disso, usando um microbioma redutor de nitrato de água doce, descobrimos que a capacidade dos fagos líticos de influenciar os produtos finais da redução de nitrato dependia da fonte de carbono, bem como da força iônica. Para todos os pares fago:hospedeiro, os EC50s de íons para infecção por fagos excederam as concentrações de íons encontradas em muitos sistemas terrestres de água doce. Assim, nossas descobertas apoiam um modelo em que os fagos influenciam mais a ecologia funcional microbiana terrestre em pontos quentes e momentos quentes, como intestinos de metazoários, solos influenciados pela seca ou biofilmes onde a concentração de íons é local ou transitoriamente elevada e nutrientes estão disponíveis para apoiar o crescimento de espécies específicas. hospedeiros de fagos.

Os bacteriófagos são onipresentes nas comunidades microbianas naturais e podem desempenhar papéis importantes na modulação do ciclo de elementos microbianos [1,2,3,4,5,6,7]. No entanto, faltam-nos modelos mecanísticos robustos para permitir previsões da dinâmica fago-hospedeiro e das interações ecológicas, particularmente em ambientes complexos como solos e sedimentos. Embora alguns estudos tenham tentado demonstrar um impacto dos fagos na ciclagem dos elementos do solo, os resultados são variáveis ​​e aparentemente dependentes do contexto [1,2,3,4,5]. Como tal, a magnitude do impacto da predação por fagos na ciclagem de elementos nos ecossistemas terrestres e a biogeoquímica mecanicista deste processo permanecem indefinidas.

Em ambientes marinhos, a lise de fagos é responsável por aproximadamente 40-50% de toda a mortalidade bacteriana, aproximadamente equivalente à contribuição da predação por protozoários [6]. O carbono liberado de células bacterianas mortas após a predação por fagos provoca um “desvio viral” no ciclo do carbono marinho [7]. Em sistemas terrestres, entretanto, a contribuição dos fagos para a dinâmica do ciclo dos elementos é muito menos bem caracterizada e parece ser mais variável, particularmente em ambientes extremamente heterogêneos, como os solos [1,2,3,4,5].

Na ausência de um modelo mecanicista de dinâmica de fagos em ecossistemas terrestres, é difícil interpretar correlações entre proporções bacterianas: virais e parâmetros ambientais para identificar relações causais [8]. Vários estudos identificaram fortes relações entre a proliferação de bactérias hospedeiras e fagos predadores em sistemas naturais [9, 10]. Segue-se assim que os parâmetros ambientais que influenciam a abundância do hospedeiro são importantes para o sucesso do fago predatório. Por exemplo, a abundância de fagos pode ser influenciada pela presença de nutrientes microbianos essenciais e fontes de energia necessárias para o crescimento do hospedeiro [11, 12], com a proporção vírus/microbiano aumentando com a densidade das células microbianas [12]. Assim, nos solos, como as partículas de carbono detrítico ou exsudados de raízes têm densidades microbianas mais altas, estes deveriam ser pontos críticos de predação por fagos. Além disso, a qualidade do carbono determinará a composição da população microbiana heterotrófica [13, 14]. Segue-se que, à medida que a composição do carbono muda, a abundância de populações microbianas suscetíveis a fagos também mudará para alterar o possível impacto dos fagos nos processos de ciclagem de elementos microbianos.