Exploring environmental virus-host interactions and their relevance to microbial adaptation using CRISPRs

Les interactions entre les membres d'une communauté microbienne peuvent être un moyen d'adaptation dans l'environnement. Parmi les nombreuses interactions qui ont lieu dans un écosystème et qui joue un rôle majeur sur la diversité et la dynamique des populations microbiennes est celui des virus procaryotes et leurs hôtes. Les virus peuvent également arbitrer le transfert de matériel génétique entre les procaryotes (transduction), qui pourrait être un mécanisme d'adaptation rapide. Afin de déterminer l'impact potentiel des virus et la transduction, nous avons besoin d'une meilleure compréhension de la dynamique des interactions entre virus et leurs hôtes dans l'environnement. Les données sur les virus de l'environnement sont rares, et les méthodes pour le suivi de leurs interactions avec les procaryotes sont nécessaires. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs), qui contiennent des séquences virales dans les génomes bactériens, pourraient aider à documenter l'histoire des interactions virus-hôte dans l'environnement. Ainsi, cette thèse vise à explorer les interactions virus-hôte dans un environnement donné à travers du séquences CRISPR.Les virus de la cryosphère sont considérés comme abondantes, très actif et avec de larges gammes d'hôtes. Ces caractéristiques pourraient faire de la transduction virale, un facteur clé pour l’adaptation microbienne dans ces environnements. Des métagénomes publics créés à partir des environnements avec une gamme de températures différents ont été examinés. De cette manière, certaines dynamiques d'interactions virus-hôte se sont révélées comme ayant une corrélation avec la température. Un flux de travail a ensuite été développé pour créer un réseau reliant les virus et leurs hôtes en utilisant des séquences CRISPR obtenus à partir de données métagénomiques de la glace des glaciers et du sol de l'Arctique. La création de réseaux d'infection à traves du CRISPRs a fourni une nouvelle perspective sur les interactions virus-hôte. En outre, nous avons cherché des événements de transduction dans les données métagénomiques par la recherche de séquences virales contenant de l'ADN microbien. L’analyse indiquée que les bactériophages du Ralstonia pourraient être des agents de transduction dans la glace des glaciers de l'Arctique.Interactions between the members of a microbial community can be a means of adaptation in the environment. Among the many interactions that take place in an ecosystem and have been seen to play a major role on microbial diversity and population dynamics is that of prokaryotic viruses and their hosts. Viruses can also mediate the transfer of genetic material between prokaryotes (transduction), which could be a mechanism for rapid adaptation. In order to determine the potential impact of viruses and transduction, we need a better understanding of the dynamics of interactions between viruses and their hosts in the environment. Data on environmental viruses are scarce, and methods for tracking their interactions with prokaryotes are needed. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs), which contain viral sequences in bacterial genomes, might help document the history of virus-host interactions in the environment. Thus, this thesis aimed to explore virus-host interactions in a given environment through CRISPRs. Viruses in the cryosphere have been seen to be abundant, highly active and with broad host ranges. These characteristics could make viral transduction a key driver of adaptation in these environments. Public metagenomes created from environments over a range of temperatures were examined through sequence and CRISPR analysis. In this fashion, certain virus-host interaction dynamics were found to have a correlation with temperature. A workflow was then developed to create a network linking viruses and their hosts using CRISPR sequences obtained from metagenomic data from Arctic glacial ice and soil. The creation of CRISPR-based infection networks provided a new perspective on virus-host interactions in glacial ice. Moreover, we searched for transduction events in metagenomic data by looking for viral sequences containing microbial DNA. Further analysis of the viral sequences in the CRISPRs indicated that Ralstonia phages might be agents of transduction in Arctic glacial ice

Exploration des interactions virus-hôte et leur importance pour l'adaptation microbienne à travers du CRISPRs

Interactions between the members of a microbial community can be a means of adaptation in the environment. Among the many interactions that take place in an ecosystem and have been seen to play a major role on microbial diversity and population dynamics is that of prokaryotic viruses and their hosts. Viruses can also mediate the transfer of genetic material between prokaryotes (transduction), which could be a mechanism for rapid adaptation. In order to determine the potential impact of viruses and transduction, we need a better understanding of the dynamics of interactions between viruses and their hosts in the environment. Data on environmental viruses are scarce, and methods for tracking their interactions with prokaryotes are needed. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs), which contain viral sequences in bacterial genomes, might help document the history of virus-host interactions in the environment. Thus, this thesis aimed to explore virus-host interactions in a given environment through CRISPRs. Viruses in the cryosphere have been seen to be abundant, highly active and with broad host ranges. These characteristics could make viral transduction a key driver of adaptation in these environments. Public metagenomes created from environments over a range of temperatures were examined through sequence and CRISPR analysis. In this fashion, certain virus-host interaction dynamics were found to have a correlation with temperature. A workflow was then developed to create a network linking viruses and their hosts using CRISPR sequences obtained from metagenomic data from Arctic glacial ice and soil. The creation of CRISPR-based infection networks provided a new perspective on virus-host interactions in glacial ice. Moreover, we searched for transduction events in metagenomic data by looking for viral sequences containing microbial DNA. Further analysis of the viral sequences in the CRISPRs indicated that Ralstonia phages might be agents of transduction in Arctic glacial ice.Les interactions entre les membres d'une communauté microbienne peuvent être un moyen d'adaptation dans l'environnement. Parmi les nombreuses interactions qui ont lieu dans un écosystème et qui joue un rôle majeur sur la diversité et la dynamique des populations microbiennes est celui des virus procaryotes et leurs hôtes. Les virus peuvent également arbitrer le transfert de matériel génétique entre les procaryotes (transduction), qui pourrait être un mécanisme d'adaptation rapide. Afin de déterminer l'impact potentiel des virus et la transduction, nous avons besoin d'une meilleure compréhension de la dynamique des interactions entre virus et leurs hôtes dans l'environnement. Les données sur les virus de l'environnement sont rares, et les méthodes pour le suivi de leurs interactions avec les procaryotes sont nécessaires. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs), qui contiennent des séquences virales dans les génomes bactériens, pourraient aider à documenter l'histoire des interactions virus-hôte dans l'environnement. Ainsi, cette thèse vise à explorer les interactions virus-hôte dans un environnement donné à travers du séquences CRISPR.Les virus de la cryosphère sont considérés comme abondantes, très actif et avec de larges gammes d'hôtes. Ces caractéristiques pourraient faire de la transduction virale, un facteur clé pour l’adaptation microbienne dans ces environnements. Des métagénomes publics créés à partir des environnements avec une gamme de températures différents ont été examinés. De cette manière, certaines dynamiques d'interactions virus-hôte se sont révélées comme ayant une corrélation avec la température. Un flux de travail a ensuite été développé pour créer un réseau reliant les virus et leurs hôtes en utilisant des séquences CRISPR obtenus à partir de données métagénomiques de la glace des glaciers et du sol de l'Arctique. La création de réseaux d'infection à traves du CRISPRs a fourni une nouvelle perspective sur les interactions virus-hôte. En outre, nous avons cherché des événements de transduction dans les données métagénomiques par la recherche de séquences virales contenant de l'ADN microbien. L’analyse indiquée que les bactériophages du Ralstonia pourraient être des agents de transduction dans la glace des glaciers de l'Arctique

Viruses keep Arctic microbial adaptation from its breaking point

International audienceMicrobial adaptation to changes in the environment is the first step to evolution. The acquisition of genes and development of novel enzymes in response to environmental perturbations are critical to successful adaptation. But can microorganisms in extreme environments, such as the Arctic, adapt fast enough to respond to rapid anthropogenic changes? Pollutants are tilting biogeochemical cycles and climate change is causing glacial retreat and possibly introducing a flow of microorganism into new niches. Rapid adaptation to environmental perturbations could be attained through transduction, virus mediated transfer of genetic material between bacteria. Viruses have been suggested to play a key role in polar environments, and the relatively high virus to bacteria ratio might provide the answer to how cold adapted communities are dealing with these changes. Moreover, the potential broad host ranges would make them effective vectors. As an example a strong signature of phages for Ralstonia, a known carrier of mercury resistance genes, was seen in the virome of an Arctic glacier relative to other environmental viromes. Data on environmental viruses is scarce and tracking their interactions with bacteria has only been addressed through single strain based experiments. Nevertheless, CRISPRs (Clustered Interspaced Short Palindromic Repeats) provide a history of viral-­‐host interactions and might document this crucial viral influence on Arctic microbial community adaptation. Thus comparative CRISPR metagenomics will be used to describe the possible interaction between viruses and microorganisms in different ecosystems

Viral-host interactions in the environment and their adaptive significance

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Viral-host interactions in glacial ice and their adaptive significance

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Snow and ice ecosystems: not so extreme

International audienceSnow and ice environments cover up to 21% of the Earth's surface. They have been regarded as extreme environments because of their low temperatures, high UV irradiation, low nutrients and low water availability, and thus, their microbial activity has not been considered relevant from a global microbial ecology viewpoint. In this review, we focus on why snow and ice habitats might not be extreme from a microbiological perspective. Microorganisms interact closely with the abiotic conditions imposed by snow and ice habitats by having diverse adaptations, that include genetic resistance mechanisms, to different types of stresses in addition to inhabiting various niches where these potential stresses might be reduced. The microbial communities inhabiting snow and ice are not only abundant and taxonomically diverse, but complex in terms of their interactions. Altogether, snow and ice seem to be true ecosystems with a role in global biogeochemical cycles that has likely been underestimated. Future work should expand past resistance studies to understanding the function of these ecosystems

Linking environmental prokaryotic viruses and their host through CRISPRs

International audienceThe ecological pressure that viruses place on microbial communities is not only based on predation, but also on gene transfer. In order to determine the potential impact of viruses and transduction, we need a better understanding of the dynamics of interactions between viruses and their hosts in the environment. Data on environmental viruses are scarce, and methods for tracking their interactions with prokaryotes are needed. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs), which contain viral sequences in bacterial genomes, might help document the history of virus-host interactions in the environment. In this study, a bioinformatics network linking viruses and their hosts using CRISPR sequences obtained from metagenomic data was developed and applied to metagenomes from Arctic glacial ice and soil. The application of our network approach showed that putative interactions were more commonly detected in the ice samples than the soil which would be consistent with the ice viral-bacterial interactions being more dynamic than those in soil. Further analysis of the viral sequences in the CRISPRs indicated that Ralstonia phages might be agents of transduction in the Arctic glacial ice

Use of CRISPRs in the search for a viral global metacommunity

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Microbial diversity and function in Arctic ice and snow

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La neige : Un milieu vivant avec un rôle fondamental dans la régulation de la planète

Une composante essentielle de l'Arctique est son manteau neigeux saisonnier. Couvrant en hiver jusqu'à 47 millions de kilomètres carrés, la neige joue un rôle prépondérant dans le système climatique de la planète. En raison des conditions extrêmes de température et de la présence restreinte d'eau liquide, la neige a longtemps été considérée simplement comme un piège à microorganismes. Cependant, nous avons pu montrer que dans la neige, les communautés bactériennes possédaient des potentialités d'adaptation aussi efficaces que celles d'environnements tempérés. Nous allons présenter les résultats d'analyses sur la diversité des microorganismes du manteau neigeux, leur structuration en communautés microbiennes et les fonctions qu'ils expriment. Ces résultats montrent que le compartiment biotique de la neige en Arctique a un rôle crucial dans la production, la dégradation, la transformation des contaminants et nutriments et constitue donc un acteur clé des cycles biogéochimiques