Ecological and evolutionary effects of cyanophages on experimental plankton community dynamics

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4127-9
Title: Ecological and evolutionary effects of cyanophages on experimental plankton community dynamics
Author: Coloma, Sebastián
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Department of Microbiology
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae - URN:ISSN:2342-5431
Abstract: Biotic and abiotic factors are known to influence the formation of blooms by diazotrophic cyanobacteria, which may dramatically modify the nutrient environment affecting the pelagic food web and the plankton community. Abiotic factors, e.g. nutrient availability and weather conditions, have been widely studied and discussed. However, biotic factors such as the impact of phages remain less studied. This study aims to describe the effects of a Baltic Sea cyanophage on a filamentous cyanobacterium (Nodularia spumigena) and other aspects in plankton communities utilizing an experimental approach. Specifically, the study addresses bacteria-phage interactions, plankton community dynamics, and nitrogen transfer between the plankton components (phytoplankton species and rotifers) in the food web. To perform the experimental study, a Baltic Sea cyanophage infecting Nodularia was isolated, characterized and named 2AV2. The cyanophage 2AV2 belongs to the Siphovirus family with a lytic life cycle between 12–18 hours with a restricted host range of 12 out of 45 tested Nodularia strains. Lysis of the susceptible host caused an approximately 80% reduction in the cyanobacterial population resulting in selection for phage-resistant Nodularia cells. The evolution of phage resistance significantly reduced the release of nitrogen resulting from lysis of susceptible host cells in the presence of phage. In addition, isolates from the phage-resistant population had two morphotypes, short filaments (40%) and long filaments (60%), while the susceptible population only displayed long filaments. Further, differences between these morphotypes were detected in traits such as growth rate and buoyancy. The divergence in phenotypic traits among phage-resistant cyanobacteria is suggested to represent an evolutionary trade-off between phage resistance and fitness in the absence of phage. This is the first study to show a change in morphology (filament length) in Nodularia spumigena after the evolution of phage resistance. In an experimental plankton community, Nodularia, cyanophage 2AV2, Chlorella and rotifer biomasses developed differently between treatments with different initial frequencies of phage phage-resistant Nodularia, determining the ecological succession and nitrogen transfer in the food web. This study supports the hypothesis that cyanophages not only affect cyanobacterial populations but they also have a wider influence on plankton community dynamics and nitrogen transfer in food webs.Bioottisten ja abioottisten ympäristötekijöiden tiedetään vaikuttavan typpeä sitoviin syanobakteerikukintoihin, jotka muokkaavat ravinneympäristöä, mikä puolestaan vaikuttaa pelagiseen ravintoverkkoon ja planktiseen yhteisöön. Abioottiset tekijät, kuten ravinteiden saatavuus ja sääolosuhteet, ovat laajasti tutkittuja. Vähemmän tutkittua on bioottisten tekijöiden kuten faagien vaikutus kukintoja muodostaviin typpeä sitoviin syanobakteereihin. Tämän tutkimuksen tavoite on kuvata faagin vaikutusta syanobakteeriin (Nodularia spumigena) ja ravinneympäristöön laajemmassa planktisessa yhteisössä kokeellisen lähestymistavan kautta. Lisäksi tämä tutkimus tarkastelee isännän vastustuskyvyn eli faagiresistenssin evoluution vaikutusta kokeelliseen planktonyhteisödynamiikkaan (sis. filamenttinen syanobakteeri Nodularia spumigena, syanofaagi 2AV2, viherlevä Chlorella vulgaris ja rataseläinpopulaatioita) sekä typen kiertoon planktonkomponenttien välillä ravintoverkossa. Kokeellista tutkimusta varten Itämerestä eristettiin ja karakterisoitiin syanofaagi, jolle annettiin nimi 2AV2. Syanofaagi 2AV2 kuuluu Siphovirus-heimoon, ja sillä on 12–18 tunnin pituinen lyyttinen sykli sekä kapea isäntäkirjo (12 altista isäntäkantaa 45 testatusta Nodularia-suvun kannasta). Faagi-infektio johti alttiiden isäntäsolujen lyysautumiseen ja vastustuskykyisten solujen valintaan. Resistenssievoluutio vähensi merkittävästi typen vapautumista, joka johtuu faagi-infektion aiheuttamasta solujen hajoamisesta. Lisäksi resistentin populaation isolaateista erottui kaksi eri morfotyyppiä, joista 40 % oli lyhyt- ja 60 % pitkärihmaisia, kun taas 100 % alttiista isännistä oli pitkärihmaisia. Lisäksi havaittiin eroavaisuuksia näiden morfotyyppien ominaisuuksissa, kuten kasvunopeudessa ja keijuvuudessa. Ominaisuuksien eroavaisuudet resistenttien syanobakteerien kesken kuvastavat vaihtokauppaa faagiresistenssin ja kelpoisuuden välillä faagin poissaollessa. Tämä on ensimmäinen tutkimus, jossa havaitaan faagiresistenssievoluution jälkeisiä morfologisia muutoksia Nodulariassa (rihmojen pituuksissa). Kokeellisessa planktonyhteisössä Nodularian, syanofaagi 2AV2:n, Chlorellan ja rataseläimen biomassat vaihtelivat riippuen resistentin syanobakteerin esiintymistiheydestä kasvatuksen alussa. Resistenssin esiintymistiheys (frekvenssi) syanobakteeripopulaatiossa oli ratkaiseva tekijä ekologisessa sukkessiossa ja typen kierrossa ravintoverkossa. Tämä tutkimus tukee hypoteesia, että syanofaagit eivät ainoastaan vaikuta syanobakteeripopulaatioihin vaan myös laajemmin planktonyhteisödynamiikkaan ja typen kiertoon ravintoverkossa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4127-9
http://hdl.handle.net/10138/233210
Date: 2018-03-27
Subject:
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
ecologic.pdf 7.048Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record