Dans les lacs d'eau douce, les microbes régulent le flux de carbone et déterminent si les plans d'eau servent de puits de carbone ou de sources de carbone. Les algues et les cyanobactéries en particulier peuvent piéger et utiliser le carbone, mais leur capacité à le faire peut être affectée par des virus. Les virus existent parmi toutes les bactéries, généralement en excès de 10 fois, et sont constitués de différentes tailles allant des virus géants, à des virus beaucoup plus petits appelés virophages (qui vivent dans des virus géants et utilisent leur machinerie pour se répliquer et se propager.) Les virophages peuvent changer la façon dont un virus géant interagit avec sa cellule eucaryote hôte. Par exemple, si les algues sont co-infectées par un virophage et un virus géant, le virophage limite la capacité du virus géant à se répliquer efficacement. Cela réduit l'impact d'un virus géant sur le détournement des nutriments, permettre aux algues hôtes de se multiplier, ce qui pourrait entraîner des proliférations d'algues plus fréquentes.

À l'aide d'ensembles de données sur le métagénome recueillies sur plusieurs années dans les lacs d'eau douce du nord, une équipe dirigée par des chercheurs de l'Ohio State University et du U.S. Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI), une installation utilisateur du DOE Office of Science, découvert 25 nouvelles séquences de virophages. Signalé le 11 octobre 2017 en Communication Nature , l'identification de ces nouvelles séquences double effectivement le nombre de virophages connus depuis leur découverte il y a une dizaine d'années.

« Habituellement, les ensembles de données du métagénome sont uniques, " a déclaré Simon Roux, scientifique et premier auteur du DOE JGI. " Les gens avaient commencé à voir des virophages dans les métagénomes, mais personne n'avait une longue série chronologique jusqu'à présent. C'était ici une fois ? Toujours? Nous n'avons jamais vraiment su cela, mais c'est une information critique pour comprendre leur importance."

Le travail découle d'une proposition de programme scientifique communautaire (CSP) impliquant les lacs d'eau douce du nord par KT (Trina) McMahon de l'Université du Wisconsin-Madison. Des échantillons de communautés microbiennes du lac Mendota et du lac Trout Bog ont été régulièrement collectés pendant plusieurs années dans le cadre du projet de recherche écologique à long terme sur les lacs tempérés du nord (NTL-LTER) financé par la NSF de la National Science Foundation. Le séquençage et l'analyse de ces métagénomes à partir des séries chronologiques de 3 ans et de 5 ans permettent aux chercheurs d'identifier les membres de la communauté, déterminer leurs voies métaboliques, et suivre les changements dans les communautés sur plusieurs années.

Au-delà de l'examen des communautés microbiennes, McMahon et Rex Malmstrom, responsable du groupe DOE JGI Micro-Scale Applications, a demandé au collaborateur Matt Sullivan de l'Ohio State University s'il serait intéressé à utiliser les mêmes ensembles de données métagénomiques pour examiner l'écologie virale des lacs. Roux a commencé à extraire les ensembles de données alors qu'il était encore stagiaire postdoctoral au laboratoire Sullivan. "Je savais qu'il y avait beaucoup de virus dans les données de séquence, mais pas que certains virus étaient eux-mêmes des hôtes d'autres virus, " a déclaré Malmstrom. " Avec des données de séries chronologiques, nous pourrions faire plus qu'assembler le génome et construire des arbres phylogénétiques, les données nous ont permis d'examiner la variation génétique au sein des populations et de rechercher des modèles de cooccurrence et d'abondance entre les virophages et leurs hôtes viraux géants. Avec autant de points temporels dans l'ensemble de données, vous pouvez trouver des liens solides."

Trina McMahon, dont les jeux de données CSP ont servi de base à ce travail, dit avoir l'information sur l'écologie virale aide à former une image plus complète de l'écosystème. "Nous sommes ravis d'avoir une pièce de plus du puzzle. Les virus jouent clairement un rôle majeur dans la composition de la communauté et donc dans son fonctionnement, de l'ensemble de l'écosystème du lac. Mon propre laboratoire n'a pas l'expertise pour lutter seul contre les virus, c'est pourquoi la collaboration avec Simon et Matt Sullivan est si importante. Notre objectif à long terme est d'en apprendre suffisamment sur les forces qui contrôlent le rassemblement et la dynamique de la communauté, ainsi que les traits écologiques de chaque lignée, afin de créer des modèles plus prédictifs sur la façon dont les lacs d'eau douce réagiront au changement climatique et à l'utilisation des terres, à l'échelle de l'écosystème."

Outre le doublement du nombre de virophages dans les bases de données publiques, la série chronologique a permis à Roux et à ses collègues de voir les profils écologiques des virus - si des facteurs tels que les saisons ou l'abondance de microbes particuliers ont influencé leur propre présence. Grâce à l'analyse de cooccurrence, the researchers associated the virophages with sequences of known lineages of giant viruses, and proposed the existence of 3 new groups of candidate giant viruses infected by virophages. These co-occurrence analyses also allowed them to find putative associations between the giant virus sequences and specific eukaryotic hosts.

"These findings are correlation-based, " noted Roux, "but it's a good example of a metagenomics use case. Metagenomes helped us not only discover new viral diversity and determine what it should do in the ecosystem, but it helps us design hypothesis and follow-up experiments about virus-host interactions so we're not just throwing out a wide net blindly."