Eco-metagenómica de virus en ambientes hipersalinos

Resumen

Los ambientes hipersalinos son aquellos que presentan una concentración de sal superior a la del agua de mar (Huber et al., 2009; Oren, 2013). Estos sistemas están ampliamente distribuidos por el planeta (Shiklomanov, 1998) y pueden ser de origen natural o artificial. Algunos de los ambientes hipersalinos de origen natural más conocidos son El Gran Lago Salado en Utah (EEUU), o el Salar de Uyuni, en Bolivia. Por otro lado, podemos encontrar sistemas hipersalinos artificiales como las salinas multiestanques dedicadas a la explotación de sal para el consumo. En estos ambientes, considerados habitualmente extremos (Williams and Hallsworth, 2009), habitan los microorganimos halófilos adaptados a soportar las altas concentraciones de sal. Entre los halófilos se pueden encontrar representantes de los tres Dominios de la vida, pero son el Dominio Archaea y Bacteria los predominantes (Oren and Rodriguez-Valera, 2001; Rodriguez-Valera et al., 2009; Ventosa et al., 2014). En los sistemas hipersalinos la abundancia de procariotas aumenta mientras que su diversidad disminuye a medida que la salinidad se incrementa (Oren and Rodriguez-Valera, 2001; Rodriguez-Valera et al., 2009; Ventosa et al., 2014). Sin embargo, la diversidad intra-específica en las comunidades procariotas es mayor que en otros ambientes acuáticos (Oren and Rodriguez-Valera, 2001; Rodriguez-Valera et al., 2009; Ventosa et al., 2014). Los procariotas predominantes son las arqueas de bajo GC, frecuentemente del género Haloquadratum, la bacteria del género Salinibacter y las nanohaloarqueas (Antón et al., 2000; Ventosa et al., 2015). Dependiendo del ambiente, los miembros mayoritarios pueden ser sustituidos por otros como por ejemplo Halorubrum spp., Haloarcula spp. y Natronomonas spp. (Mora-Ruiz et al., 2016; Rubin et al., 2017). Al igual que en el resto de ambientes acuáticos, los virus son una pieza clave en los ambientes hipersalinos, ya que son los responsables de la estructura de las comunidades procariotas e influyen directamente en su diversidad y evolución (Rodriguez-Valera et al., 2009). Los ambientes hipersalinos son uno de los sistemas acuáticos donde mayor concentración de virus se ha encontrado, pudiendo alcanzar los 1010 VLP/ml, con ratios virus célula de los más altos observados (hasta 100) (Santos et al., 2012). Por tanto, la abundancia de virus y el alto ratio virus célula, junto a la baja diversidad procariota, hacen de los ambientes hipersalinos un sistema natural simplificado perfecto para la realización de estudios de interacción virus hospedador. Los virus controlan a las comunidades microbianas a las que infectan y el efecto que en ellas ejercen tiene consecuencias biológicas globales. Por ello entender los mecanismos de interacción ente ambos es un objetivo central en ecología microbiana. Actualmente, existen diversos modelos e hipótesis que intentan explicar la coexistencia de los virus y sus hospedadores en ambientes naturales. Algunos ejemplos son el denominado Kill the winner (Thingstad and Lignell, 1997; Thingstad, 2000), basado en el modelo presa depredador de Lotka y Volterra (Liow et al., 2011) y adaptado para explicar la dinámica virus hospedador en comunidades microbianas, y la hipótesis de la Reina Roja (Red Queen) (Van Valen, 1977; Liow et al., 2011; Brockhurst et al., 2014; Rabajante et al., 2015), Otros autores como Rodriguez-Valera y colaboradores han incluido en el modelo Kill the winner los datos que la metagenómica nos ofrece (Rodriguez-Valera et al., 2009) y han desarrollado otra hipótesis derivada de las anteriores, denominada teoría de la diversidad constante (Constant Diversity) (Rodriguez-Valera et al., 2014). Además existen otras subvariantes recientemente descritas de la hipótesis Kill the winner como son los modelos de Equal opportunity y Royal family (Breitbart et al., 2018), además de la modificación propuesta por Knowles y colaboradores denominada modelo Piggyback-the-Winner (Knowles et al., 2016). Pese a la elevada abundancia de virus en ambientes hipersalinos, únicamente han podido aislarse un total de 121 halovirus, la mayoría de ellos representantes del orden Caudovirales (virus con cabeza y cola) (Roine and Oksanen, 2011; Sabet, 2012; Villamor et al., 2017; Dyall-Smith et al., 2018). Mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) se ha podido observar que los ambientes hipersalinos albergan todos los morfotipos víricos conocidos (Boujelben et al., 2012; Atanasova et al., 2015). Además, estos virus probablemente presentan una gran diversidad genómica ya que virus con una misma morfología pueden presentar grandes diferencias genómicas entre ellos (Senčilo et al., 2013). La imposibilidad de cultivar la mayoría de los microorganismos hospedadores, y por tanto sus virus, obstaculiza responder algunas preguntas sobre la diversidad vírica. Por este motivo, el uso de las técnicas independientes del cultivo tanto de procariotas como de sus virus ha crecido exponencialmente en los últimos años, generando una gran cantidad de información sobre la viriosfera global. Conocer cuán diversos son los virus, las entidades biológicas más abundantes de la biosfera, es una pregunta aún por resolver (Breitbart et al., 2018). Una de las cuestiones centrales en ecología microbiana ha sido comprobar “si todo está en todos sitios” como propuso Bass Becking (Breitbart and Rohwer, 2005; De Wit and Bouvier, 2006) o si, por el contrario, existen virus propios en cada ambiente. Trabajos previos han demostrado la existencia de una identidad genética común entre las comunidades víricas marinas (Breitbart and Rohwer, 2005; Brum et al., 2015) y recientemente se han visto evidencias de que los ambientes hipersalinos también podrían tener un componente común entre ellos. El primer objetivo de la presente tesis fue comprobar la existencia de un core genético entre comunidades víricas separadas geográficamente. Para ello se procedió a la descripción de la comunidad vírica de cuatro ambientes hipersalinos de diferentes lugares, mediante técnicas independientes de cultivo. Por un lado, nos centramos en el estudio de los metaviromas procedentes de cada localidad, para finalmente, realizar una comparación de las comunidades víricas a nivel global. Por otro lado, otro de nuestros objetivos fue la comprobación de la hipótesis presa-depredador Kill the winner en la naturaleza, mediante la adición artificial de dos especies de Salinibacter spp. a una comunidad natural. Además, la presente Tesis se centró en comprobar la respuesta del resto de la comunidad microbiana al incremento de uno de sus miembros. El último objetivo fue el aislamiento de nuevos virus que infecten a la bacteria cosmopolita Salinibacter spp. profundizando así en su caracterización ecogenómica. Las conclusiones más relevantes de la presente Tesis se resumen a continuación. • A pesar de existir un core funcional entre las poblaciones víricas estudiadas, procedentes de distintos ambientes hipersalinos, cada una de ellas presentó un conjunto de funciones génicas específicas de cada localización. Además, las comunidades víricas de un mismo lugar compartieron más similitudes entre sí que con las de otras localidades. • En todos los ambientes hipersalinos estudiados encontramos un grupo de virus estanque-específicos, indicando que, pese a que el origen pueda ser común, una parte de la comunidad evoluciona de forma independiente. • Los cambios genómicos observados en algunos virus de las Salinas de Añana sugieren que las poblaciones víricas pueden variar en cortos periodos de tiempo. • La adición de un hospedador autóctono como S. ruber M8 en el estanque de las Salinas de Campos permitió demostrar la dinámica Kill the winner en la naturaleza. • La introducción de un hospedador autóctono (S. ruber M8) en el sistema produjo cambios apreciables en la comunidad vírica. En cambio, la de un hospedador alóctono (S. altiplanesis AN15) no produjo cambios detectables en la comunidad vírica. • La resiliencia de las comunidades víricas fue menor a la de las comunidades procariotas. Probablemente este hecho estuvo relacionado con que el tipo de perturbación fuese el aumento de un micoorganismo susceptible de ser infectado por dichos virus. • El aumento del hospedador S. ruber M8 en el estanque produjo un enriquecimiento de los virus que lo infectan, lo que favoreció el aislamiento de un nuevo género de virus. • La técnica de enriquecimiento vírico mediante la adición del hospedador de interés ha demostrado ser muy eficiente en la recuperación de nuevos virus, ya que mediante dicha técnica se ha aislado la mayor colección de virus de S. ruber M8 descrita hasta la fecha. • La nueva especie de virus de S. ruber M8 presenta una gran micro-diversidad y su variabilidad está determinada por las proteínas de la cápside y por un grupo de proteínas hipotéticas. • Los virus que infectan a S. ruber M8 presentan una gran diversidad probablemente relacionada con la diversidad intra-específica propia de la especie de su hospedador.