【研究成果】揭開海洋病毒與細菌間的恩怨情仇:臺灣團隊首次於自然界觀測到病毒分流現象

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  何郁庭 (科學推展中心特約編輯)


圖一、海洋微生物食物網與無機營養鹽、有機碳傳遞路徑架構圖。來源:修改自參考文獻

病毒分流假說(viral shunt hypothesis)在生態系的生物網中扮演要角,最早於1999年提出,然這個假說過去僅於實驗室的觀察或數值模式模擬發現,從未在自然界中被觀察到。2022年,由國立臺灣大學漁業科學研究所、中央研究院環境變遷中心,與國立臺灣海洋大學海洋環境與生態研究所共同組成的團隊,利用長期南海蹲站調查的資料,將首次於自然界中發現病毒分流現象的成果,發表於《Science Advances》期刊。

無論是陸域生態系或水域生態系,微生物都在環境中扮演重要的角色,而水域環境中約10-50%細菌的死亡源於病毒感染。除了捕食食物鏈外,所有生物產生的溶解態有機碳(dissolved organic carbon, DOC)只會被異營性細菌吸收用以繁衍 。當細菌被原生動物(鞭/纖毛蟲)捕食,原生動物再被浮游動物捕食,透過此一「微生物環」途徑,將DOC送回捕食食物鏈(圖一)。病毒分流假說即是在描述海洋中因病毒感染細菌,而產生病毒豐度、細菌生物量,與細菌生長速率間的消長關係。當細菌被病毒感染後,數量會下降,並降低顆粒態有機碳(Particulate organic carbon, POC)向上傳輸,同時裂解釋放出溶菌液(lysate),刺激現存細菌的生長率。

此研究在2010到2017年間,進行9次南海蹲站調查(每次觀察24-48小時,3小時採樣一次),並將取得的數據進行時間序列分析。結果顯示,在時空分布上,細菌生物量(bacterial biomass, BB)與病毒豐度(viral abundance, VA)極為相似,但二者皆與細菌生長速率(bacterial specific growth rate, SGR)呈負相關(圖二)。進一步比較VA和SGR,發現兩者具有時間差,在VA達到高峰後的3-6小時後,SGR方達到高峰,且VA和校正後的SGR具有正相關。此現象在下部透光層(euphotic)尤其明顯,意味著透光層下部具有較明顯的病毒分流現象。

圖二、病毒豐度(VA)、細菌生物量(BB)和細菌生長速率(SGR)間的統計關係散布圖。來源:參考文獻

研究團隊認為,此研究成果透漏了兩大訊息:(1)海洋中的浮游細菌長期處於飢餓狀態,稍有「好吃的 (labile)」有機物質供應,細菌的成長/被病毒感染裂解速率的反應時間,便可在數小時之內完成。(2)病毒分流可在數小時內發生並完成,而且只能在貧營養鹽(oligotrophic)的環境下被觀察到;透光層表層水(深度<50米)的高溫環境,極可能會壓抑病毒感染裂解細菌及其分流作用。

未來,在類似實驗中進一步研究病毒類型的演替,可望能更深入地了解病毒分流的細節與資訊。


參考文獻

[1] Shiah FK, CC Lai, TY Chen, CY Ko & CW Chang. 2022. Viral shunt in tropical oligotrophic ocean. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.abo2829

[2] 南海時間序列網站 – https://www.odb.ntu.edu.tw/seats/

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