Viral communities of Porcelana hot springs: characterization and ecological function

Los virus han demostrado ser ubicuos en todos los ambientes por lo que las aguas termales no son la excepción a pesar de sus condiciones extremas. En aguas termales terrestres con pH circumneutral y temperaturas termofílicas, los tapetes fototróficos han demostrado ser útiles como modelos para comprender la composición, estructura y función de las comunidades microbianas en la naturaleza. Por lo tanto, proporcionan un marco teórico en el que estudiar el componente viral de estas comunidades y las interacciones virus-hospedero. La Patagonia Norte es una de las regiones más australes del “Arco Volcánico Andino” y alberga 13 de los volcanes más activos de Chile. En consecuencia, una gran cantidad de fuentes termales se encuentran dispersas por los fiordos y bosques de la Patagonia. Algunos ejemplos son Porcelana y Cahuelmó, ubicados en los fiordos Comau y Cahuelmó, respectivamente. Ambas están cubiertas por tapetes microbianos que crecen a lo largo de un gradiente térmico entre 70 - 46°C, dominadas por fotótrofos bacterianos oxigénicos y anoxigénicos. El primer grupo está representado por los géneros Fischerella, Calothrix, Leptolyngbya y Oscillatoria, mientras que el grupo anoxigénico está representado por los géneros Chloroflexus y Roseiflexus. Otros taxones importantes en estas comunidades microbianas son las bacterias heterótrofas de los phyla Proteobacteria, Bacteroidetes y Deinococcus termus. En la presente tesis, la recuperación de secuencias virales desde metagenomas y metatranscriptomas celulares de Porcelana, mostró que la comunidad viral está compuesta predominantemente por Caudovirales (70%), con la mayoría de las infecciones transcripcionalmente activas causadas por cianófagos (hasta el 90% de los transcritos de Caudovirales ). El ensamblaje metagenómico permitió recuperar y describir el primer cianófago termofílico tipo T7 (TC-CHP58). Además, hemos encontrado marcadas diferencias en el número de loci CRISPR metagenómicos y en la diversidad de espaciadores (distintas secuencias y distintas abundancias) en Fischerella, así como Variantes de Nucleótido Único (SNV), en los proto-espaciadores de TC-CHP58 a diferentes temperaturas, lo que refuerza la teoría de la coevolución entre las poblaciones de virus naturales y sus cianobacterias hospederas. Más tarde, estudiamos las comunidades virales líticas y lisogénicas en los tapetes fototróficos de Porcelana utilizando un enfoque multi-ómico junto a inducciones in-situ usando mitomicina C. Para esto, los genomas ensamblados de metagenomas (MAGs) de los tapetes microbianos de porcelana fueron interrogados sobre la presencia de virus integrados (Profagos). Así mismo, se analizaron los metagenomas de las comunidades virales naturales e inducidas por mitomicina C, para estudiar la abundancia diferencial de genomas virales y proteínas (funciones) entre ambas comunidades virales, así como parámetros ecológicos tales como las diversidades α y β. Nuestros resultados sugieren que las poblaciones virales lisogénicas y líticas estaban altamente asociadas con hospederos específicos. La mayoría de los taxones bacterianos transcripcionalmente activos y dominantes como Fischerella, fueron predados por las poblaciones virales líticas más abundantes. Mientras que, las bacterias heterotroficas de los filos Proteobacterias y Firmicutes se asociaron a virus lisogénicos inducidos espontáneamente o por mitomicina C, respectivamente, revelando un nexo entre las funciones microbianas (metabolismo) y el tipo de ciclo infecciososo. Finalmente, analizamos los tres metagenomas virales de Porcelana y Cahuelmó junto con los nueve metagenomas virales de aguas termales ya existentes publicados hasta la fecha, para estudiar cómo la estructura de la comunidad viral se ve afectada por los factores ambientales. El extenso análisis de las secuencias de proteínas, genes y genomas utilizando frecuencias kmer, grupos de proteínas virales (vPC) y unidades taxonómicas operacionales virales (vOTU) mostró un patrón biogeográfico determinado por los principales factores ecológicos (pH y temperatura). La red de proteínas compartidas de las comunidades virales termofílicas globales mostró una modularidad inesperada, lo que sugiere una restricción al flujo génico entre las fuentes termales y una alta riqueza local que se asoció a hospederos específicos al cruzar la información de espaciadores CRISPR y los módulos virales de la red. Estos análisis notaron la existencia de pares virus-hospedero específicos que permiten el mantenimiento de esta riqueza local. En esta tesis, propusimos que las comunidades virales de los tapetes microbianos fototróficos están dominados por el orden Caudovirales, siendo los cianófagos uno de los grupos principales. Del mismo modo, las comunidades virales tienen un impacto en sus hospederos mediante interacciones líticas que estimulan la coevolución de los pares de virus-hospedero más abundantes y activos en estos sistemas térmicos, así como las interacciones lisogénicas que influyen en la adaptabilidad de los hospederos heterótrofos, probablemente a través de conversión lisogénica. Por último, proponemos que los virus de sistemas termales terrestres siguen patrones biogeográficos donde las comunidades virales se transportan de forma pasiva por aire a escala local y global, pero luego se estructuran localmente influenciadas por las condiciones ambientales (pH y temperatura) que afectan principalmente la estructura de la comunidad de hospederos.