| one publication added to basket [281643] | Ecophysiological aspects of algal host: virus interactions in a changing ocean
Maat, D.S. (2016). Ecophysiological aspects of algal host: virus interactions in a changing ocean. PhD Thesis. University of Amsterdam: Amsterdam. ISBN 9789491407383. 232 pp. https://hdl.handle.net/11245/1.547586
|  |
| Abstract |
Marien fytoplankton is een groep eencellige fototrofe micro-organismen die wereldwijdverantwoordelijk zijn voor grofweg vijftig procent van de totale globaleprimaire productie en de basis vormen van de meeste pelagische voedselketensin de zeeën en oceanen. Fytoplankton productie wordt sterk bepaald doorde invloed van groei-regulerende abiotische omgevingsfactoren zoals licht,temperatuur, koolstofdioxide (CO2) en concentraties minerale voedingsstoffen(nutriënten). Aan de andere kant zijn er ook sterfte-regulerende factoren diede dichtheden fytoplankton beïnvloeden, zoals begrazing door zoöplankton envirale cel lysis (het uiteenvallen van de cel waarbij nieuw geproduceerde virussenvrijkomen). Virussen zijn gastheer-specifieke infectueuze deeltjes diebestaan uit genetisch materiaal in een eiwitmantel, en zijn voor reproductievolledig afhankelijk van een gastheercel. Na adsorptie van een virusdeeltjeaan een cel worden er nieuwe virussen in de gastheercel geproduceerd. Doormiddel van cel lysis komen de virussen dan weer vrij in de extracellulaire omgevingwaarop ze weer nieuwe gastheercellen kunnen infecteren. In tegenstellingtot begrazing van fytoplankton, verhindert virale lysis de overdracht vanvoedingsstoffen en energie naar hogere trofische niveaus in de voedselketen.Deze stoffen komen bij lysis weer in oplossing of suspensie in de waterkolom.Veranderingen in de invloed van virussen op fytoplankton sterfte kunnendus grote gevolgen hebben voor het functioneren van het voedselweb ende kringloop van elementen zoals koolstof, stikstof en fosfor (respectievelijkC, N, P). Echter, ondanks de relevantie van deze processen is er nog steedsweinig kennis over de wijze waarop het fysisch-chemische milieu de interactietussen fytoplankton virussen en hun gastheren beïnvloedt. Er is bijvoorbeeldwel onderzoek gedaan naar de effecten van nutriënt limitatie op fytoplanktongastheer-virus interactie, maar dit betrof dan algemene P-deprivatie (afwezigheidof erg lage concentraties), terwijl de mogelijke effecten van de toevoersnelheidvan het nutriënt, het type bestanddeel (ander P-bevattend component ofbv. N-limitatie), en de interactie met andere factoren (bv. nutriënt limitatie incombinatie met licht intensiteit of CO2) nooit zijn onderzocht. De relevantievan dergelijke studies wordt versterkt door de grote wereldwijde toename vanatmosferische en aquatische CO2 concentraties en het opwarmen van de oppervlaktevan de Oceanen, door menselijk handelen. Opwarming versterkt destratificatie (gelaagdheid; minder menging) van de waterkolom en leidt daarmeetot een stabieler licht klimaat (hoge of lage intensiteit, afhankelijk van dediepte) en toenemende nutriënten limitatie.Het doel van dit proefschrift was het verkrijgen van een beter begrip vande invloed van de abiotische omgeving op fytoplankton gastheer-virus interactie,en dan zowel de effecten van enkele factoren als de gelijktijdige effectenvan verschillende factoren. De centraal bestudeerde omgevingsvariabele in dit222SamenvattingAproefschrift is P, omdat dit element, dat een belangrijk deel uitmaakt vano.a. het genetisch materiaal en het celmembraan van fytoplankton, wereldwijdsterk limiterend is in vele kust- en oceaansystemen. Vanwege N2-fixatie doordiazotrofe prokaryoten in oppervlaktewateren, zal er ook in de sterker gestratificeerdetoekomstige oceanen eerder P- dan N-limitatie optreden.De onderzoeken in dit proefschrift zijn allen uitgevoerd met axenischefytoplankton cultures in gereguleerde experimentele opstellingen zodat de effectenop fytoplankton groei en sterfte, en virus reproductie nauwkeurig kondenworden bepaald, i.e., het tijdsinterval tussen infectie en het vrijkomen vande eerste geproduceerde virussen (latente periode; uren), het aantal geproduceerdevirussen per gastheer cel (virale productiegrootte; virussen per cel), ende infectiviteit van de geproduceerde virussen. Hierbij is er vooral ook nadrukgelegd op de fysiologie en lipidensamenstelling van de gastheer, omdat dezemogelijk informatie kunnen geven over de oorzaken van veranderingen in deinteractie tussen gastheer en virus.In hoofdstuk 2 van dit proefschrift werd fytoplankton gastheer-virusinteractie bestudeerd onder toekomstige oceaan condities van P-limitatie metverhoogde partiële CO2 druk (pCO2). De eukaryotische picofytoplankton soortMicromonas pusilla werd hiervoor gekweekt in P-gelimiteerde chemostaten:continu cultures waarin de groeisnelheid van de cellen (en dus de sterktevan limitatie) wordt bepaald door de toevoersnelheid van het medium (hier0.25 μM PO43-). De P-gelimiteerde cultures werden op deze wijze afgestemdom te groeien op 97% en 32% van de maximale groeisnelheid (μmax; 0.72 d-1onder nutriënt verzadigde condities) en daarbij blootgesteld aan een pCO2 van370 en 750 μatm (als respectievelijk gemeten en verwacht in de jaren 2000en 2100). Gedurende de stabiele groeifase (gebalanceerde P-gelimiteerde groeimet constante aantallen cellen), bleken de cellulaire P-quota, efficiëntie vanfotosynthese en netto primaire productie sterk gereduceerd door de P-limiterendecondities. Verhoogde pCO2 resulteerde in nog sterker verlaagde N- enP-quota, waardoor M. pusilla hogere cel aantallen kon bereiken op dezelfdeP-concentratie. Hogere pCO2 had geen invloed op M. pusilla virus (MpV) reproductie,maar P-limitatie leidde tot een respectievelijke verlenging van delatente periode van 3 en 6h voor de 0.97- en 0.32μmax cultures. De virale productiegrootte(325 virussen per cel onder P-verzadigde condities) was ongeveer5 keer lager onder P-limitatie, onafhankelijk van de sterkte van limitatie.Deze gegevens suggereren dat P-limiterende omstandigheden in combinatiemet verhoogd pCO2, als onder toekomstige oceaan condities, hogere aantallenpicophytoplankton faciliteren en de sterfte druk door virusinfecties reduceren.Hoofdstuk 3 laat zien dat P-limitatie de samenstelling van intacte polairelipiden (IPLs) in M. pusilla beïnvloedt. Hierbij werden geen effecten vanpCO2 waargenomen. Voor het eerst beschrijven we in de literatuur dat (i) ditproces plaatsvindt in een picoeukaryote groene alg, (ii) dat de veranderingen223SamenvattingAin lipidensamenstelling afhangen van de sterkte van de limitatie, en (iii) datMpV infectie invloed heeft op de veranderingen in lipidensamenstelling. Decellulaire ratio van fosfolipiden (fosfor bevattende lipiden) tot sulfolipiden engalactolipiden (zwavel en galactose bevattende lipiden) nam af met toenemendesterkte van P-limitatie: van P-verzadigde condities tot P-gelimiteerde groeiop 0.97 en 0.32μmax en verder tot 30h P-deprivatie. Echter, wanneer de P-gelimiteerdecultures werden geïnfecteerd met MpV werden deze veranderingenin IPL-samenstelling afgeremd (0.97μmax) of zelfs volledig beëindigd (0.32μmax).De effecten van virale infectie op de IPL-samenstelling in M. pusilla warendus afhankelijk van de groei-historie van de cellen. Deze studie laat zien datniet alleen de P-concentratie, maar ook de toevoersnelheid van dit element,alsmede virusinfecties, de IPL-samenstelling in fytoplankton cellen kunnenbeïnvloeden, met gevolgen voor de chemische samenstelling van opgelost engesuspendeerd organisch materiaal in de waterkolom.De effecten van virale infectie op de IPL samenstelling van fytoplanktonwerden verder bestudeerd in de haptofyt Phaeocystis globosa (Hoofdstuk4). In dit geval resulteerde infectie van de gastheer met het virus PgV niettot veranderingen in de IPL compositie. Dit is op zichzelf opmerkelijk omdatde lipidensamenstelling in de sterk verwante haptofyt Emiliania huxleyi welwordt beïnvloed door virale infectie. De aan de lipiden gebonden vetzuren in P.globosa waren echter wel anders in de geïnfecteerde cultures, waarbij de relatievehoeveelheid meervoudig onverzadigde vetzuren (polyunsaturated fattyacids; PUFAs; Hoofdstuk 5) afnamen. Hogere trofische niveaus in de marienevoedselketen zijn afhankelijk van fytoplankton voor deze PUFAs die een zeerhoge voedingswaarde hebben. Virale infectie van P. globosa heeft daarom mogelijkinvloed op de hoeveelheid PUFAs in een voedsel web (door begrazingvan geïnfecteerde cellen of gelyseerd organisch materiaal). De hoofdstukken3,4 en 5 beschrijven dat de virussen MpV en PgV zelf ook lipidenmembranenbezitten die gelijkenissen vertonen met de respectievelijke gastheren, maardan verarmd in de thylakoïde-specifieke sulfo- en galactolipiden. De PgV lipidenbevatten gemiddeld kortere en meer verzadigde vetzuren dan de gastheer.Beide virussen verwerven hun lipidenmembraan waarschijnlijk selectief uitbepaalde organellen van de gastheercel.In de hoofdstukken 6 en 7 werden de effecten van P-limitatie op M.pusilla en P. globosa bestudeerd in relatie tot de hoeveelheid (fotosynthetischbeschikbaar) licht en N-limitatie. Hoofdstuk 6 laat zien dat P-limitatie vanbeide soorten onder laag en hoog licht (respectievelijk 25 en 250 μmol quantam-2 s-1) resulteerde in sterk verlaagde P-quota en efficiëntie van fotosynthese(in verhouding tot een medium licht intensiteit van 100 μmol quanta m-2 s-1 enP-verzadigde condities). Reproductie van MpV in M. pusilla werd hierbij nietbeïnvloed door licht intensiteit. Echter de virale productiegrootte van PgV in P.globosa, was respectievelijk 55 en 23% lager onder lage en hoge lichtintensi-224SamenvattingAteit, waarbij de infectiviteit van de geproduceerde virussen ook nog eens wasgedaald tot respectievelijk slechts 2 en 4%. Dit onderzoek laat duidelijk ziendat P-limitatie de negatieve effecten van lichtintensiteit op de productie eninfectiviteit van fytoplankton virussen drastisch kan versterken, en dat dezeeffecten tevens soortspecifiek zijn.Dergelijke versterkende effecten van twee abiotische factoren op fytoplanktonvirus proliferatie werden niet geobserveerd bij gelijktijdig lage beschikbaarheidvan P en N (Hoofdstuk 7). Onder stabiele limiterende groei conditieswas de groeisnelheid van de N- en NP-gelimiteerde cultures hetzelfdeals onder P-limitatie, maar de NP-gelimiteerde cultures leken qua celgrootte,chlorofyl fluorescentie en efficiëntie van fotosynthese het meest op de N-gelimiteerdecultures. De latente periode van de viraal geïnfecteerde N- en NP-gelimiteerdecultures liet dezelfde verlenging zien als onder P-limitatie. Voor MpVwas de afname in virale productiegrootte (70% ten opzichte van P-verzadigdecondities) ook hetzelfde onder N, P en NP-gelimiteerde condities, maar deproductiegrootte van PgV onder N- en NP-limitatie was afgenomen met 94%,terwijl dit 70% was onder P-limitatie. Afhankelijk van de fytoplankton virusgastheercombinatie, kunnen de effecten van N-limitatie op virus productiedus even groot of zelfs groter zijn als onder P-limitatie. Dit is in grote tegenstellingtot de tot dusver heersende opvatting dat fytoplankton virus reproductievrijwel niet wordt beïnvloed door N-limitatie.De voorgaande hoofdstukken laten zien dat de P concentratie een sterksturende factor kan zijn in de regulatie van fytoplankton virus reproductie endat de effecten mede worden bepaald door de metabole staat van de gastheervoor infectie. Dit is een belangrijk gegeven omdat primaire producenten in dezeeën en oceanen onderhevig zijn aan verschillende sterktes van P-limitatie.Daarbij is primaire productie in oligotrofe pelagische systemen sterk afhankelijkvan een continue lage toevoer van nutriënten uit de nutriënten kringloop(remineralisatie). Om deze redenen heb ik de effecten van een bijna-continuetoevoer van het limiterende nutriënt (P) op geïnfecteerde M. pusilla cellen bestudeerd(Hoofdstuk 8). Een lage, maar constante toevoer van anorganischreactief P (soluble reactive P; SRP) aan geïnfecteerde M. pusilla leidt zelfs toteen verdubbeling van de virale productiegrootte. Dit was onafhankelijk van desterkte van P-limitatie (0.97 or 0.32μmax) en was zelfs nog mogelijk tot 18h nade start van de infectie (bepaald door het moment van P-toevoer uit te stellenvoor verschillende tijdsintervallen). Toevoer van minder reactieve vormen vanP (soluble non-reactive P; SNP) tijdens de infectiecyclus, waaronder organischecomponenten, resulteerden in dezelfde toename in virale productiegrootte alsmet SRP, en illustreren dus een efficiënt gebruik van SNP componenten tijdensde infectiecyclus. Er werd zelfs een hogere productiegrootte geobserveerdna toevoeging van SRP- en virusvrij MpV lysaat. Dit werd dus gefaciliteerddoor natuurlijke SNP-componenten die vrijkomen uit gelyseerde cellen. Deze225SamenvattingAstudie laat zien hoe belangrijk de toevoersnelheid van ecologisch relevante Pconcentraties zijn voor virus productie in P-gelimiteerde fytoplankton cellen.Virus proliferatie, en dus viraal geïnduceerde sterfte van fytoplankton, kanworden gestimuleerd door P-remineralisatie (SRP) en lysis van cellen in deomgeving (SNP), zelfs als de daadwerkelijke concentraties van SRP laag zijn.De onderzoeksresultaten in dit proefschrift geven nieuwe inzichten inhoe fytoplankton virus proliferatie kan worden beïnvloed door het type ende sterkte van minerale nutriënten limitatie. Afhankelijk van de fytoplanktonsoort (of virus-gastheer combinatie), kan lichtintensiteit bovendien een extrabeperking opleveren voor de al relatief lage virale productiegrootte onder Plimitatie.Het succes van een lytische virale infectie (de snelheid van productieen het totaal aan geproduceerde virussen) is afhankelijk van de metabole staatvan de gastheercel en variatie in omgevingsfactoren kan dus grote effectenhebben op virus productie en daarmee op fytoplankton sterfte. Er werd geensturende rol van IPLs en vetzuren geobserveerd in de interactie tussen defysisch-chemische omgevingsvariabelen en virus proliferatie, maar virale infectiebleek wel invloed te hebben op de samenstelling van deze componenten,met mogelijke gevolgen voor de voedingswaarde van fytoplankton voor hogeretrofische niveaus in de voedselketen. Kennis over de effecten van de fysischchemischeomgeving op virale lysis van fytoplankton wordt steeds relevanterdoor de drastische effecten van de menselijke populatie op de atmosfeer enoceanen. Dit proefschrift versterkt de hypothese dat virale activiteit, en doorvirus veroorzaakte fytoplankton sterfte, sterk kan worden beïnvloed door dezewereldwijde milieuveranderingen, met mogelijke gevolgen voor mariene ecosystemenen de kringloop van elementen. Vervolgonderzoek aan de effectenvan omgevingsvariabelen op fytoplankton virus-gastheer interactie is nodig,met nadruk op verschillen tussen virus-gastheer combinaties en tevens uitgevoerdonder (semi-)natuurlijke condities. |
|
