Vincoli geochimici sull'infettività dei batteriofagi negli ambienti terrestri

Comunicazioni ISME volume 3, articolo numero: 78 (2023) Citare questo articolo

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I fagi litici possono essere inibitori potenti e selettivi della crescita microbica e possono avere un profondo impatto sulla composizione e sulla funzione del microbioma. Tuttavia, vi è incertezza sulle condizioni biogeochimiche in cui la predazione dei fagi modula la funzione dell’ecosistema microbico, in particolare nei sistemi terrestri. La forza ionica è fondamentale per l’infezione dei batteri da parte di molti fagi, ma i dati quantitativi sono limitati sulle soglie ioniche per l’infezione dei fagi che possono essere confrontate con le concentrazioni di ioni ambientali. Allo stesso modo, anche se la composizione del carbonio varia nell’ambiente, non sappiamo come questa variabilità influenzi l’impatto della predazione dei fagi sulla funzione del microbioma. Qui, abbiamo misurato le concentrazioni efficaci semimassime (EC50) di 80 diversi ioni inorganici per l'infezione di E. coli con due fagi canonici dsDNA e ssRNA, T4 e MS2, rispettivamente. Molti metalli alcalino-terrosi e metalli alcalini hanno consentito l'infezione litica, ma le soglie di forza ionica variavano per i diversi ioni tra i fagi. Inoltre, utilizzando un microbioma di acqua dolce che riduce i nitrati, abbiamo scoperto che la capacità dei fagi litici di influenzare i prodotti finali della riduzione dei nitrati dipendeva dalla fonte di carbonio e dalla forza ionica. Per tutte le coppie fago:ospite, gli ioni EC50 per l'infezione da fagi hanno superato le concentrazioni di ioni riscontrate in molti sistemi di acqua dolce terrestri. Pertanto, i nostri risultati supportano un modello in cui i fagi influenzano maggiormente l’ecologia funzionale microbica terrestre in punti caldi e momenti caldi come l’intestino dei metazoi, suoli influenzati dalla siccità o biofilm in cui la concentrazione di ioni è localmente o transitoriamente elevata e i nutrienti sono disponibili per supportare la crescita di specifici batteri. ospiti dei fagi.

I batteriofagi sono onnipresenti nelle comunità microbiche naturali e possono svolgere un ruolo importante nella modulazione del ciclo degli elementi microbici [1,2,3,4,5,6,7]. Tuttavia, ci mancano modelli meccanicistici robusti per consentire previsioni delle dinamiche fago-ospite e delle interazioni ecologiche, in particolare in ambienti complessi come suoli e sedimenti. Sebbene alcuni studi abbiano tentato di dimostrare un impatto dei fagi sul ciclo degli elementi del suolo, i risultati sono variabili e apparentemente dipendenti dal contesto [1,2,3,4,5]. Pertanto, l’entità dell’impatto della predazione dei fagi sul ciclo degli elementi attraverso gli ecosistemi terrestri e la biogeochimica meccanicistica di questo processo rimangono sfuggenti.

Negli ambienti marini, la lisi dei fagi è responsabile di circa il 40-50% di tutta la mortalità batterica, approssimativamente equivalente al contributo della predazione dei protozoi [6]. Il carbonio rilasciato dalle cellule batteriche morte in seguito alla predazione dei fagi determina uno “shunt virale” nel ciclo del carbonio marino [7]. Nei sistemi terrestri, tuttavia, il contributo dei fagi alla dinamica del ciclo degli elementi è molto meno ben caratterizzato e sembra essere più variabile, in particolare in ambienti estremamente eterogenei come i suoli [1,2,3,4,5].

In assenza di un modello meccanicistico della dinamica dei fagi negli ecosistemi terrestri è difficile interpretare le correlazioni tra i rapporti batteri: virus e parametri ambientali per identificare le relazioni causali [8]. Diversi studi hanno identificato forti relazioni tra fioriture batteriche ospiti e fagi predatori nei sistemi naturali [9, 10]. Ne consegue quindi che i parametri ambientali che influenzano l'abbondanza dell'ospite sono importanti per il successo dei fagi predatori. Ad esempio, l’abbondanza dei fagi può essere influenzata dalla presenza di nutrienti microbici essenziali e di fonti di energia necessarie per la crescita dell’ospite [11, 12] con il rapporto virus/microbica che aumenta con la densità delle cellule microbiche [12]. Pertanto, nei suoli, poiché le particelle di carbonio detritico o gli essudati radicali hanno densità microbiche più elevate, questi dovrebbero essere punti caldi della predazione dei fagi. Inoltre, la qualità del carbonio determinerà la composizione della popolazione microbica eterotrofa [13, 14]. Ne consegue che man mano che la composizione del carbonio cambia, anche l’abbondanza di popolazioni microbiche sensibili ai fagi si sposterà per alterare il possibile impatto dei fagi sui processi di riciclaggio degli elementi microbici.