In Gletschern konservierte uralte Virusgenome enthüllen die Klimageschichte – und wie sich Viren an den Klimawandel anpassen

Da der Mensch das Klima und die Ökosysteme unseres Planeten verändert, untersuchen Wissenschaftler die Erdgeschichte, um die möglichen Folgen des Klimawandels vorherzusagen. Zu diesem Zweck dienen riesige Eisstrukturen wie Gletscher als Gefrierschrank der Natur und archivieren detaillierte Aufzeichnungen vergangener Klimata und Ökosysteme – darunter auch Viren.

Wir sind ein Team von Mikrobiologen Und Paläoklimatologen das alte Mikroorganismen untersucht, darunter auch Viren, die im Gletschereis konserviert sind. Zusammen mit unseren Kollegen Lonnie Thompson, Virginia Rich und andere Forscher am Gruppe für Paläoklimatologie mit Eiskernen An der Ohio State University untersuchen wir Wechselwirkungen zwischen Viren und ihrer Umgebung, die in Eisbohrkernen aus dem Guliya-Gletscher auf dem tibetischen Plateau.

Indem wir die Genome alter Virusgemeinschaften mit bestimmten Klimabedingungen verknüpfen, die im Gletschereis konserviert sind, bietet unsere neu veröffentlichte Forschung Einblicke in die Art und Weise, wie diese Viren haben sich an das veränderte Klima der Erde angepasst in den letzten 41.000 Jahren.

Die Geschichte viraler Gene lesen

Wir in erster Linie verwendete Metagenome– Genomsammlungen, die den gesamten genetischen Inhalt aller in Umweltproben vorhandenen Mikroorganismen erfassen –, um virale Genome aus neun verschiedenen Zeitintervallen innerhalb des Guliya-Eiskerns zu rekonstruieren. Diese Zeithorizonte umfassen drei große Kalt-Warm-Zyklen und bieten eine einzigartige Gelegenheit zu beobachten, wie sich virale Gemeinschaften als Reaktion auf unterschiedliche klimatische Bedingungen verändert haben.

Durch unsere Analysen konnten wir die Genome der Äquivalent von 1.705 Virusartenwodurch sich die Anzahl bekannter, in Gletschern konservierter urzeitlicher Viren mehr als verfünfzigfacht hat.

Nur etwa ein Viertel der Virusarten, die wir auf Artenebene fanden, wiesen Ähnlichkeiten mit allen Viren auf, die in fast 1.000 Metagenomen identifiziert wurden, die zuvor in globalen Datensätzen erfasst wurden. Die meisten dieser sich überschneidenden Arten stammten ebenfalls vom tibetischen Plateau.

Dies lässt darauf schließen, dass zumindest einige der im Guliya-Gletscher konservierten Viren ihren Ursprung in der Region haben. Es spricht aber auch für den relativen Mangel an Gletscherviren in den verfügbaren Datenbanken.

Mithilfe dieser neuen Referenzgenome haben wir versucht, ihre Geschichten zu „lesen“.

Eines der wichtigsten Ergebnisse war, Die viralen Gemeinschaften unterschieden sich erheblich zwischen kalten und warmen Klimaperioden. Die ausgeprägteste Gemeinschaft viraler Arten auf dem Gletscher entstand vor etwa 11.500 Jahren, zeitgleich mit dem großen Übergang von der letzten Eiszeit zum Holozän.

Dies lässt darauf schließen, dass die einzigartigen Klimabedingungen während kalter und warmer Perioden die Zusammensetzung der Virengemeinschaften stark beeinflusst haben. Wir vermuten, dass diese Einflüsse wahrscheinlich darauf zurückzuführen sind, dass Viren von anderen Orten durch veränderte Windmuster eingeweht wurden und dem Selektionsdruck durch die Temperaturschwankungen auf dem Gletscher ausgesetzt waren.

Als wir tiefer gruben, untersuchten wir als nächstes, wie Viren mit ihren Wirten interagieren. Dazu verwendeten wir Computermodelle, um virale Genome mit den Genomen anderer Mikroben zu vergleichen, die ebenfalls in dieser Umgebung vorkommen. Wir fanden heraus, dass Viren durchgängig infiziertes Flavobacteriumeine Bakterienlinie, die häufig in Gletscherumgebungen vorkommt.

Wir haben auch gelernt, dass Viren auf dem Guliya-Gletscher Gene von ihren Wirten „stehlen“ müssen, um deren Stoffwechsel zu manipulieren. Im viralen Genom sind 50 Hilfsgene für den Stoffwechsel kodiert, darunter die Synthese und der Abbau von Vitaminen, Aminosäuren und Kohlenhydraten. Einige dieser Gene waren in allen neun untersuchten Zeitintervallen in großer Menge vorhanden, was darauf hindeutet, dass sie mikrobiellen Wirten helfen, mit den harten Bedingungen auf Gletscheroberflächen zurechtzukommen und dadurch die virale Fitness zu verbessern.

Viren infizieren und töten also nicht nur Zellen, sondern verändern während der Infektion wahrscheinlich auch die Fitness ihrer Wirte und beeinflussen so ihre Überlebensfähigkeit unter den extremen Bedingungen einer Gletscherumgebung.

Klimawandel im Laufe der Zeit

Unsere Erkenntnisse bieten eine neue Perspektive darauf, wie Leben in Form von Viren über Zehntausende von Jahren auf Klimaveränderungen reagiert hat.

Das Verständnis dieser uralten Wechselwirkungen bietet eine einzigartige Gelegenheit für zukünftige Forschungen sowohl in der Virologie als auch in der Klimawissenschaft. Durch die Untersuchung der Reaktion urzeitlicher Viren auf vergangene Klimaveränderungen können Forscher wertvolle Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sich Viren an den anhaltenden globalen Klimawandel anpassen.

Wir sind davon überzeugt, dass Gletschereis, da es in jeder Schicht Informationen über Mikroorganismen und ihre Ökosysteme im Laufe der Zeit speichert, weiterhin eine entscheidende Ressource für die Erforschung der Klimageschichte der Erde und des darauf basierenden Lebens darstellt – insbesondere angesichts der rapiden Abnahme der Gletschereisreserven.

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