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温泉微生物マットにおけるウイルスと宿主の動態の解明
Insights into the dynamics between viruses and their hosts in a hot spring microbial mat.
PMID: 32661357 DOI: 10.1038/s41396-020-0705-4.
抄録
バイオフィルムにおける宿主とウイルスの相互作用に関する現在の知見は、少数の培養細菌を用いた実験室での実験に基づく計算機的予測に限られている。しかし、天然のバイオフィルムは多様性に富み、主に未培養の細菌や古細菌で構成されており、ウイルス感染パターンや生活習慣の予測はこれまでに記述されていない。ここでは、天然バイオフィルムにおける初めてのDNA配列に基づく宿主-ウイルス相互作用を予測する。カリフォルニア州モノ郡のコーンプールの温泉マットに適用された単細胞ゲノミクスとメタゲノミクスを使用して、我々は、異なるマット層にわたってウイルスと宿主の範囲、ライフスタイル、および分布についての洞察を提供しています。130個の単細胞のうち34個（26％）に少なくとも1個のウイルスコンティグが含まれており、メタゲノミクスでアセンブルされたゲノムと合わせて、34の宿主種に関連する59個のウイルスが検出された。単細胞増幅速度を解析したところ、単細胞レベルではウイルスの複製が活発に行われていないことが明らかになった。これらの知見は、異なるマット層からのメタゲノムリードを、得られた宿主とウイルスのペアにマッピングすることによっても裏付けられた。最後に、メタゲノムデータは、ウイルスの高い層特異性を明らかにし、他のマット層への拡散が限られていることを示唆しています。以上のことから、微生物が豊富な低移動性環境では、以前に提案されていた「ピギーバック-ザ・ウィンナー」理論に沿って、リソジニーが優勢なウイルスのライフスタイルであることが示唆されました。
Our current knowledge of host-virus interactions in biofilms is limited to computational predictions based on laboratory experiments with a small number of cultured bacteria. However, natural biofilms are diverse and chiefly composed of uncultured bacteria and archaea with no viral infection patterns and lifestyle predictions described to date. Herein, we predict the first DNA sequence-based host-virus interactions in a natural biofilm. Using single-cell genomics and metagenomics applied to a hot spring mat of the Cone Pool in Mono County, California, we provide insights into virus-host range, lifestyle and distribution across different mat layers. Thirty-four out of 130 single cells contained at least one viral contig (26%), which, together with the metagenome-assembled genomes, resulted in detection of 59 viruses linked to 34 host species. Analysis of single-cell amplification kinetics revealed a lack of active viral replication on the single-cell level. These findings were further supported by mapping metagenomic reads from different mat layers to the obtained host-virus pairs, which indicated a low copy number of viral genomes compared to their hosts. Lastly, the metagenomic data revealed high layer specificity of viruses, suggesting limited diffusion to other mat layers. Taken together, these observations indicate that in low mobility environments with high microbial abundance, lysogeny is the predominant viral lifestyle, in line with the previously proposed "Piggyback-the-Winner" theory.