Virus-host systems in sea ice

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3040-2
Title: Virus-host systems in sea ice
Author: Luhtanen, Anne-Mari
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Division of General Microbiology
Finnish Environment Institute, Marine Research Centre
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Virus-host systems in sea ice Sea ice is one of the largest habitats on Earth. A specialized microbial community lives inside the narrow brine channels that are formed during freezing process, when salt and other components from sea water concentrate between ice crystals. These microbes have an active role in the biogeochemistry of the sea ice by primary production, degradation of material and excreation of compounds, which effect the gas exchange between the ocean and atmosphere and the nutrient status of the under ice sea. Sea ice microbial community consist of auto- and heterotrophic protists, prokaryotes and viruses. The main heterotrophs are the bacteria. Viruses are the most abundant lifeform on Earth. They are found everywhere where there is life and they infect all kinds of cells. Infections are crucial for viruses because they can reproduce only by using a host cell to produce new virus particles. Majority of the viruses infect the most numerous cells on Earth, the prokaryotes, i.e. bacteria and archaea. Viruses infecting bacteria (bacteriophages or phages) are a major factor in bacterial mortality. They can also control the community composition of bacteria because of the high specificity of the infection. Bacteria have different mechanisms to avoid phage infections and phages need to evolve to be able to reproduce. This arms race of phages and bacteria can lead to co-evolution. Although viruses are known to have significant effects on bacterial communities in various habitats, not much is known about the viruses in the sea ice. Before this project, only three isolates have been reported from the Arctic sea ice. The aim in this thesis was to get a better understanding of the phages and their role in sea ice. For that, isolation, cultivation and purification methods needed to be developed and optimized. Bacteria and phages were isolated from samples taken from Baltic and Antarctic sea ice. The phage particles were purified and characterized by their morphology, structural protein patterns and host range. The identities of the host bacteria were analyzed by their 16S rRNA gene sequence. Effect of temperature on the host bacterial growth and phage infections, and the adsorption and life cycle of the phages, was experimentally studied. The abundance of virus-like particles in Antarctic sea ice was analyzed using flow cytometry. The first phage-host systems were isolated from Baltic Sea ice and Antarctic sea ice. All of the phages infected bacterial strains belonging to genera that are typically abundant in sea ice i.e. Shewanella, Flavobacterium, Paraglaciecola and Octadecabacter. All the bacterial strains and phages were cold-active. The adsorption and life cycle of phages was suprisingly fast at tested 4 °C. The phage infections were specific to certain bacterial strains. A complex phage-host system network was seen among two of the phages and 15 closely related bacterial strains from Antarctica, which may be a result of co-evolution. The abundance of virus-like particles in melted Antarctic winter sea ice (105 106 particles ml-1 bulk ice) was high when considering that they are normally concentrated in the brine channels. The amount of virus-like particles in sea ice even during Antarctic winter, indicates that viruses are an active and important member of the sea ice microbial community. Adsorption and life cycle studies show that phage infections may be efficient in the closed and concentrated environment of sea ice brines. By the strain specificic infections the phages can control the bacterial community composition and this way effect the community functions. The co-evolution of phages and bacteria may be important factor in the bacterial evolution.Virukset ja niiden isäntäbakteerit merijäässä Merijää on yksi maapallon suurimmista elinalueista. Erityinen mikrobiyhteisö elää merijään sisällä olevissa suolavesikanavissa, jotka muodostuvat meriveden jäätyessä, kun suola ja muut epäpuhtaudet tiivistyvät jääkiteiden väliin. Nämä mikrobit muokkaavat merijään rakennetta ja kemiallista koostumusta yhteyttämällä, ja hajottamalla sekä erittämällä yhdisteitä. Tämä vaikuttaa mm. kaasujen vaihtoon meren ja ilmakehän välillä ja merijään alapuolisen veden ravinnetilanteeseen. Merijään mikrobiyhteisö koostuu alkueliöistä ja alkeistumallisista sekä viruksista. Virukset ovat maapallon yleisin elämänmuoto ja niitä löytyy kaikkialta. Virukset lisääntyvät infektoimalla solullisia eliöitä ja tuottamalla uusia viruskappaleita näiden avulla. Valtaosa viruksista infektoi maapallon yleisimpiä solullisia eliöitä, alkeistumallisia bakteereita ja arkeoneja. Bakteereita infektoivat virukset (bakteriofagit tai faagit) ovat merkittävä syy bakteerien kuolleisuuteen ja mahdollisesti myös evoluutioon. Vaikka tiedetään, että yleisesti virusten merkitys bakteeriyhteisöihin on merkittävä, merijään viruksista on vain hyvin vähän tutkittua tietoa. Ennen tätä tutkimusta merijäästä on eristetty vain kolme faagia Pohjoiselta jäämereltä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää faagien merkitystä merijäässä eristämällä niitä ja niiden isäntäbakteereita tarkempia tutkimuksia varten Itämerestä ja Etelämannerta ympäröivästä Eteläisestä jäämerestä. Jotta tämä oli mahdollista, oli kehitettävä ja paranneltava eristys-, kasvatus- ja puhdistusmenetelmiä. Eristettyjen faagien ulkomuoto määritettiin ja niiden rakenneproteiineja vertailtiin keskenään, jotta voitiin varmistaa faagien olevan keskenään erilaisia. Isäntäbakteerien suku määritettiin. Tutkittiin lämpötilan vaikutusta bakteerien kasvuun ja faagien infektioon, kuten myös faagien tarttumista isäntäsolun pintaan ja uusien fagipartikkelien tuotannon kestoa. Myös viruksen kaltaisten kappaleiden määrää mitattiin Eteläisen jäämeren merijäästä virtaussolulaskennan avulla. Tämän tutkimuksen aikana eristettiin ensimmäiset faagit isäntäbakteereineen Itämeren ja Eteläisen jäämeren merijäästä. Kaikki eristetyistä faageista infektoivat bakteerikantoja, jotka kuuluvat yleisiin merijäästä löydettyihin bakteerisukuihin Shewanella, Flavobacterium, Paraglaciecola ja Octadecabacter. Kukin faagi pystyi infektoimaan vain tiettyjä bakteerikantoja. Kaikki bakteerikannat ja faagit olivat sopeutuneita kylmiin olosuhteisiin. Faagin tarttuminen isäntäsolun pintaan ja uusien viruspartikkelien tuotanto tapahtuivat yllättävän nopeasti kylmissä olosuhteissa. Kaksi faageista infektoi eri tehokkuuksilla 15 läheisesti sukua olevaa bakteerikantaa, mikä saattaa johtua faagien ja bakteerien keskinäisestä sodankäynnistä ja evoluutiosta. Viruksen kaltaisia kappaleita oli Eteläiseltä jäämereltä otetuissa näytteissä 105 106 kappaletta millilitrassa sulatettua merijäätä. Tämä on runsas määrä, erityisesti kun jäävirukset ovat normaalisti tiivistettynä kapeisiin suolavesikanaviin. Virusten kaltaisten kappaleiden suuri määrä Eteläisen jäämeren merijäässä osoittaa, että virukset ovat tärkeä osa jäämikrobiyhteisöä. Jäävirusinfektiot vaikuttavat myös olevan hyvin tehokkaita, sillä ne kykenevät tarttumaan isäntäsoluun ja lisääntymään nopeasti. Infektoimalla vain tiettyjä, tarkasti määrättyjä bakteerikantoja, virukset voivat muokata bakteeriyhteisön lajisuhteita ja vaikuttaa näin yhteisön toimintaan. Virusten ja bakteerien välinen sodankäynti voi olla tärkeä tekijä bakteerien evoluutiossa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3040-2
http://hdl.handle.net/10138/176909
Date: 2017-03-31
Subject: yleinen mikrobiologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Virushos.pdf 10.63Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record