人类或首次发现以病毒为食的微生物

subtitle 生物世界 09-27 12:24 跟贴 649 条

海洋浮游生物是一类具有进化和功能多样性的单细胞真核生物。含叶绿素的原生生物对整体碳固定有显着贡献,而不含叶绿素的异养生物和质体混合营养菌被认为是原核生物和原生生物的重要捕食者。由于吞噬营养的原生生物种类繁多,对捕食者与猎物之间特定的相互作用及其对生物地球化学循环的影响仍然知之甚少。

2020年9月24日,美国缅因州毕格罗海洋科学实验室的Julia M. Brown等人在Frontiers in Microbiology杂志发表了题为:Single Cell Genomics Reveals Viruses Consumed by Marine Protists 的研究论文。

研究人员从缅因州湾和西班牙加泰罗尼亚海岸附近的地中海的表层海水中捞出了一些原生生物。发现大量的病毒DNA与两种不同的原生生物有关,分别是choanozoans和picozoans。尽管这些单细胞生物中有一些并没有紧密的亲缘关系,但在这两个类群的许多成员身上都出现了相同的DNA序列。这些漂浮在海洋中的微小的单细胞生物可能是第一个被证实以病毒为食的生物。

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缅因州毕格罗海洋科学实验室的生物信息学家Julia Brown是该论文的第一作者,她说:“这些生物体之间的远亲关系就像树木和人类一样,甚至比这还要远。这些病毒能够感染我们发现的所有生物体,这是非常、非常不可能的。”

在进行了一系列的测试之后,研究团队得出结论:这些原生生物很可能把病毒当作食物吃掉了,而不是偶然吸收了它们的DNA或者被它们感染。

研究小组认为,这可能会重塑我们对整个海洋食物网的看法,这个谁吃谁的网络连接着从微小细菌到植物、蓝鲸的一切。

然而,来自维也纳大学的生态学家Christian Griebler却表示,这项研究并不能最终证明原生生物确实吃了病毒。单独的细胞和病毒序列检测,很难回答这些病毒颗粒是如何进入细胞的问题。

Griebler说,还需要做更多的工作来证明这些原生生物如何以及是否吞食病毒,如果是这样,它们从这些微小的零食中获得了多少营养?

他指出,有细胞核保存DNA的原生生物,即真核生物,在过去已经被证明携带病毒DNA。然而,科学家们并不清楚细胞最初是如何吸收病毒的。

滤食的原生生物可能会从周围的水中吸入自由漂浮的病毒,或者它们可能会携带上水中的病毒,这些病毒依附在海洋中的其他微小物质颗粒上。此外,一种叫做噬菌体的病毒会感染细菌细胞,而以细菌为食的原生生物可能会无意中吸收这些病毒。

但是一个大问题仍然是,作为食物源的病毒对于那些能够吞食它们的原生生物来说有多重要?

毕格罗海洋科学实验室的高级研究科学家、该论文的通讯作者Ramunas Stepanauskas表示:“过去有关原生生物消耗病毒的少量研究是在受控的实验室环境中进行的,但是这些分离的原生生物并不能代表海洋中大量存在的物种,而且它们与现实世界中发生的事情之间的关系也没有定论。”

为了找到原生生物吃病毒的真实证据,研究团队来到了广阔的海洋。研究小组从缅因州湾和地中海总共收集了近1700个原生生物个体。尽管前面提到的原生生物:choanozoans和picozoans主要出现在缅因湾的水样中,但他们捕获了10多个不同原生生物群体的细胞。

然后,研究团队通过流式细胞仪对漂浮在水中的细胞进行分类,他们分析了与每个分选细胞相关的DNA,其中包括细胞本身的DNA、附着在细胞表面的任何微生物以及被困在细胞内的任何生物体。

总的来说,病毒DNA出现在来自缅因州海湾的51%的原生生物和来自地中海的35%的原生生物中,这些病毒大多数是噬菌体,或者是感染细菌的病毒。但是在choanozoans和picozoans组中,100%的样本都含有病毒的DNA序列,但是相比之下细菌的DNA却很少。

这暗示原生生物是孤立地吸收了病毒,而不是通过摄食被感染的细菌。

尽管有这些数据,对于病毒DNA是如何最终进入原生生物体内的,仍然有其他的解释,包括原生生物消耗被感染的细菌细胞的可能性。

此外,如果这些病毒确实代表了一种食物来源,那么病毒提供的营养物质的数量仍然需要计算。而一个粗略的计算表明,当原生动物细胞吃掉一个细菌细胞时,它需要吃掉100个(或更多)病毒颗粒来获得相同数量的碳。

“原生动物”——真核原生生物——“似乎不太可能从病毒饮食中满足对碳和营养的需求。这就是说,虽然choanozoans以摄食细菌而闻名,但picozoans的饮食仍然有些神秘。

2007年发表在PLOS ONE杂志上的一篇报告发现,picozoa的取食器太小,无法捕获细菌细胞,但大到足以吞噬直径小于150纳米的颗粒,其中可能包括病毒。

Stepanauskas指出:“Picozoa是海洋中一群非常神秘的原生生物。”他说,在一个特定的原生生物群落中,它们可以占到15%,尤其是那些生活在沿海水域的原生生物。因此,了解Picozoa是否吞噬病毒可以重塑我们对海洋中营养物质流动方式的理解。

如果把海洋原生生物或海洋病毒的生物量结合起来,生物量比所有鲸鱼的总和还要大。我们用肉眼看到的较大的生物体,它们完全依赖于微生物通过食物网将营养物质输送上去。病毒不仅感染细胞,而且可以被视为食物网中的一个关键节点,这一发现代表了“一种不同的思维方式”。

通过吞噬病毒,原生生物可以在整个海洋生态系统中产生连锁反应,既可以限制感染细菌细胞的病毒数量,也可以将营养物质从病毒中转移到食物链的更高层次。

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2020.524828/full

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