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Phage-host dynamics across a coastal Vibrionaceae bloom
Sonja Frere
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Molecular Microbiology, Microbial Ecology and Immunobiology
Betreuer*in
Martin F. Polz
DOI
10.25365/thesis.80764
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11811.96891.536319-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Bakteriophagen spielen eine zentrale Rolle bei der Regulierung bakterieller Populationen in nahezu allen Ökosystemen. Durch ihre Auswirkungen auf bakterielle Mortalität, den Nährstoffumsatz und den horizontalen Gentransfer beeinflussen sie maßgeblich die Struktur und Dynamik mikrobieller Gemeinschaften. Ein detailliertes Verständnis von Phagen-Wirt-Interaktionen ist daher entscheidend, insbesondere da diese Interaktionen stark von zufälligen Begegnungen abhängen, die wiederum durch die Populationsdichte der Wirtsbakterien beeinflusst werden. Ereignisse wie bakterielle Blüten, die häufig durch erhöhte Nährstoffverfügbarkeit ausgelöst werden, erhöhen die Begegnungsraten zwischen Phagen und Wirten und bieten somit ein geeignetes Modell, um Phagen-Wirt-Dynamiken unter natürlichen Bedingungen zu untersuchen. Die Nahant-Zeitreihe stellt ein solches Modellsystem dar. Dabei handelt es sich um eine 93-tägige, hochauflösende Küstenzeitreihe, die im Jahr 2010 an der Küste von Nahant (Massachusets,USA) täglich beprobt und wobei Vibrio Bakterien und ihre ko-auftretenden Phagen isoliert wurden. Innerhalb dieser Zeitreihe wurde eine neun Tage andauernde Blüte der Familie der Vibrionaceae beobachten, die vor allem durch Vibrio cyclitrophicus und Virbio splendidus geprägt war. Während allerdings V.splendidus über den gesamten Beobachtungszeitraum hinweg in einer nahezu konstanten Abundanz vorkam, zeigte V.cyclitrophicus einen ausgeprägten, transienten Anstieg während der Blüte, gefolgt von einem raschen Rückgang. Wegen dieser spezifischen Dynamik wurde V.cyclitrophicus als Modell gewählt, um Phagen-Wirt-Interaktionen im Kontext des Blüteereignis zu untersuchen. Darüber hinaus eignen sich Vertreter der Gattung Vibrio aufgrund ihres schnellen Wachstums, ihrer möglichen genetischen Manipulation und ihrer guten Kultivierbarkeit im Labor besonders für experimentelle Analysen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Vibrio-Isolate des Tag 244 der Nahant-Zeitreihe untersucht, einem Zeitpunkt am Ende der Vibrionaceae Blüte. Insgesamt 893 Vibrionen wurden isoliert und mittels ihrer hsp60-Marker-Gene taxonomisch eingeordnet. Zur Untersuchung der Phagen-Wirt-Interaktionen wurden alle 563 Vibrio cyclitrophicus in Agar-Overlay-Spot-Assays mit 76 Phagen getestet, die an unterschiedlichen Zeitpunkten der Nahant-Zeitreihe isoliert wurden. Das daraus resultierende Interaktions-Netzwerk war spärlich und modular. Nur etwa 0,005% der getesteten Interaktionen führten zur Lyse, und nur rund 9% der Isolate unterstützten die Replikation von Phagen. Drei eng Verwandte Phagen (3.330.B, 5.330.B und 7.330.B) verursachten bei hoher, unverdünnter Titerkonzentration eine weitreichende Lyse in ca. 90% der Isolate, dieser Phänotyp verschwand allerdings nach Verdünnung des verwendeten Phagenkonzentrats. In Folgeexperimenten konnten wir einen extrazellulären Phagen induzierenden Faktor nachweisen, der aus Phagen-behandelten Agar-Overlay-Platten gewonnen werden konnte. Dieser Faktor löste eine mit dem Phagen 3.330.B assoziierte Aktivität, sowohl in Agar-Platten als auch in flüssigem Medium basierten Tests aus. Erste Charakterisierungen ordneten die Aktivität einem hitzeempfindlichen, polaren Molekül zu, dessen Größe zwischen 3 und 30kDa liegt. Der Versuch, den Rezeptor des Phagen 3.330.B zu identifizieren, blieb ohne eindeutiges Ergebnis, da der eingesetzte Assay, der auf einer Transposon-Mutagenese-Bibliothek basiert und primär für Phagen konzipiert ist, die ein strikt lytisches Infektionsverhalten zeigen. Im Verlauf der Experimente zeigt sich jedoch, dass 3.330.B dieses Verhalten nicht aufweist. In Kolonien, die die Phagenexposition überlebten, konnte 3.330.B-DNA mittels PCR nachgewiesen werden. Dennoch entwickelten diese Kolonien, in denen der Phage 3.330.B nachgewiesen werden konnte, keine längerfristige Resistenz. Vielmehr waren sie bei erneuter Exposition gegenüber dem Phagen 3.330.B infizier bar und zeigten weiterhin Lyse, was für eine nicht-klassische temperate Assoziation des Phagen und seinem Wirt spricht, wie etwa eine instabile Persistenz des Phagen-Materials oder eine carrier-state-ähnlich Interaktion. Insgesamt deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass Phagen-Wirt-Beziehungen in marinen Vibrio-Populationen sehr stammspezifisch sind. Wobei insbesondere temperate Phagen eine signifikante Rolle spielen, deren Interaktionen mit ihren Wirten nicht ausschließlich klassischen lytischen Infektionsverläufen folgen, sondern nicht klassische Persistenzformen, sowie extrazelluläre Induktionsphänomene miteinschließen. Damit trägt diese Arbeit zum besseren Verständnis von Phagen-Wirt-Interaktionen in natürlichen mikrobiellen Systemen bei und verdeutlicht den Wert hochauflösender Zeitreihenstudien, um ökologische Muster mit zugrunde liegenden biologischen Prozessen zu verknüpfen.
Abstract
(Englisch)
Bacteriophages are widely recognized as major drivers of microbial mortality, nutrient turnover and horizontal gene transfer in the ocean, yet predicting their effects in nature remains difficult because phage-host interactions are highly specific and can change rapidly over short time scales. High-resolution, genome-resolved field systems, where bacteria and their co-occurring phages can be isolated alongside matched environmental context and are therefore essential for connecting ecological patterns to mechanisms. Building on prior work from the Nahant coastal time series that revealed rapid shift in Vibrio susceptibility and strong strain resolved, nested-modular interaction networks, this study focuses on the post-bloom phase to examine how phages, particularly temperate phages may contribute to phage-host dynamics in natural populations. We mapped interactions between 76 phages and 563 newly-isolated Vibrio cyclitrophicus strains collected on Julian day 244 using systematic cross-infection assays. The resulting network was sparse and modular, wherein only around 0.005% of the tested phage-host combinations produced lysis and roughly 9% of the isolates supported phage replication. Three closely related phages (3.330.B, 5.330.B, and 7.330.B) produced widespread clearing (~90%) when applied at high titers, whereas this phenotype was strongly reduced upon dilution. During follow-up experiments, we detected a transferable extracellular inducing agent, which could be recovered from phage-challenged agar-overlays. This agent reproducibly triggered 3.330.B phage-associated activity in both agar- and liquid-based assays. Initial characterization localized this activity to a heat-sensitive, polar molecule, ranging in size between 3-30kDa, although its molecular identity and mechanism remained unresolved. Attempts to identify the receptor of phage 3.330.B did not yield a clear result, as the assay was based on a transposon mutagenesis library and was primarily designed for phages that display a strictly lytic infection mode. During the experiments, however, it became apparent that phage 3.330.B does not follow this pattern. In colonies that survived phage exposure, 3.330.B DNA could be detected by PCR. Nevertheless, these colonies did not develop stable resistance, since upon re-challenge with the phage 3.330.B, they remained susceptible, which is indicative of a non-classical temperate association between phage 3.330.B and its host strain, such as unstable retention of phage material or a carrier-state-like interaction. Collectively, these results indicate that temperate phage-host interactions in coastal Vibrio population can be highly strain-specific and may include non-classical lifestyles and extracellularly transferable induction compounds, with implications for predicting phage impacts during bloom-associated community shifts and motivating future work to define their molecular basis and ecological relevance.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Bakteriophagen Vibrionaceae Phagen-Wirt-Dynamik Nahant-Zeitreihe Vibrio cyclitrophicus Agar-Overlay-Spot-Assay Transposon-Mutagenese Temperente Phagen Plasmid-ähnliche Phagen
Schlagwörter
(Englisch)
Bacteriophages Vibrionaceae Nahant time series Vibrio cyclitrophicus Agar-Overlay-Spot-Assay temperate phages phage-host dynamics plasmid-like phages transposon mutagenesis phage inducing agent
Autor*innen
Sonja Frere
Haupttitel (Englisch)
Phage-host dynamics across a coastal Vibrionaceae bloom
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
xiii, 107 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Martin F. Polz
Klassifikationen
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,
42 Biologie > 42.32 Virologie
AC Nummer
AC17825924
Utheses ID
79911
Studienkennzahl
UA | 066 | 830 | |