VIROVAC: Filter-feeding mesozooplankton as uncharted accomplices in marine virus ecology

Verdenshavene er fulle av virus, og ingen andre biologiske partikler finnes i større antall på planeten vår! Selv om virus ikke regnes som levende organismer er de helt uunnværlige for både biologisk diversitet og næringsomsetning i havet. Der er likevel mye vi ikke vet om dem, spesielt med hensyn på hvordan den store mengden opprettholdes og hvordan de spres i miljøet. En gruppe marine dyr, planktoniske tunikater kjent som appendikularier eller ?halesekkdyr? har spesialisert seg på å fange, og leve av, bittesmå matpartikler. De lever inne i filtrerende «hus» som er så effektive at de til og med kan fange store virus! Dette betyr at virus, i tillegg til å jage organismer de kan infisere, selv kan ende opp som byttedyr for slike organismer som har spesialisert seg på å jakte på små partikler. Når en viruspartikkel blir fanget inne i et «filterhus» er en mulig utgang at den blir fordøyd og oppløst. Ettersom halesekkedyrene snører av, kaster og fornyer disse husene samt tømmer tarminnholdet i et svært høyt tempo, er imidlertid en annen mulig utgang at de «overlever» enten inne i avsnørte hus, eller i avføringen. Både hus og avføring synker til havbunnen og tar med seg viruspartiklene. Den økologiske rollen til disse virusene er ukjent. En økt innsikt i dette oversette samspillet kan føre til at vi får en annen, og dypere forståelse, for både den rollen virus spiller i det marine miljø, samt mekanismer for hvordan virus «overlever» og spres i tid og rom. Hvilke virus kan fanges og svelges av halesekkedyrene? Hvor mange virus synker til havbunnen inne i halesekkedyrenes hus og avføring? Hvordan påvirkes infektiviteten til virus når de er fanget i hus og avføring sammenliknet med de virusene som flyter fritt i vannet? I prosjektet VIROVAC er målsetningen for en gruppe forskere ved NORCE Miljø å finne svar på disse spørsmålene gjennom å kombinere laboratorieeksperimenter og feltobservasjoner. Prosjektet utføres i samarbeid med kolleger ved UiB og canadiske eksperter innen virus- og fytoplankton økologi. Gjennom småskala eksperimenter har vi bekreftet at halesekkedyret Oikopleura dioica effektivt filtrerer ut ulike typer av virus fra sjøvannet, og at virusene er infeksiøse også etter at de har passert gjennom dyrets fordøyelseskanal. Vi tok del i et stort sjøvannsinnhegnings(mesokosme)-eksperiment, og gjennom det arbeidet vi gjorde der demonsterte vi hvordan den samme O. dioica effektivt fjernet et helt spesifikt, stort, algevirus (Emiliania huxleyi virus (EhV)) fra et naturlig og komplekst algevirussamfunn. Dette viste den potensielle viktigheten av samspillet mellom halesekkedyr og virus ikke bare i lab, men også i et naturlig miljø. I løpet av de siste 2 årene har vi gjennomført tokt hvor vi har samlet sedimenter og sjøvannsprøver i området rundt Bergen for å se etter EhV partikler i både vann og i de øverste sedimentlagene. Gjennom denne toktserien har vi vist at viruspartiklene synker til bunns og samler seg i sedimentene hvor de forblir infeksiøse i flere uker, muligens også i måneder. Det viktigste vi har funnet ut til nå er at O. dioica beiting kan ha en direkte innvirkning på mengden så vel som på virusene sin videre økologiske rolle. Vi er nå i ferd med å teste vår mekanistiske modell for hvordan mengden av O. dioica i vannet korrelerer med akkumulert EhV i de underliggende sedimenter.

We have generated new knowledge about the ability of the appendicularian Oikopleura dioica to trap, ingest and redisperse large algal viruses of phylogenetically and ecologically diverse phytoplankton hosts. Virus particle size has only a moderate effect on the efficiency with which viruses are trapped and removed. Trapped and ingested viruses are rapidly passed through the animal gut and dispersed inside discarded houses and fecal pellets, where a fraction of viruses retain infectivity for weeks and possibly months. We have also demonstrated that infectious EhV particles are present in surface and downcore sediments at three different western Norwegian stations at which O. dioica naturally occurs in the water column. These findings in concert suggest that the O. dioica-virus interaction may be one important mechanism by which planktonic marine viruses are ferried to bottom sediments where they can retain their infectivity and seed infection of seasonal phytoplankton blooms.

Viruses fill the world's oceans and are more abundant than any other biological entity on the planet! Even though viruses are not "alive", they are critical regulators of the diversity of organisms and the efficiency of biogeochemical processes that occur in the oceans. Despite this, we know very little about viruses, and in particular about how these tiny entities persist and spread. One group of marine animals, the planktonic tunicates known as appendicularians, are specialists when it comes to feeding on low concentrations of small food particles. In fact, the filtering "houses" that they live inside and use to trap food particles are so efficient that they can even trap large viruses! This suggests that viruses can not only prey upon the host organisms that they infect, but that they themselves can end up on the menu for small-particle specialists like appendicularians. Although being trapped in the filtering house of an appendicularian may mean digestion for a virus particle, the rapidity with which appendicularians renew their houses and empty their guts provides the possibility of virus “survival”, either trapped in a discarded house or inside a faecal pellet, both of which sink rapidly to the ocean floor and an unknown ecological fate. The previously overlooked interaction between appendicularians and viruses thus stands to reshape our understanding, not only of the role of viruses in the ocean, but also of the mechanisms for how viruses may persist and spread both in space and in time. Which viruses can be trapped and ingested by appendicularians? How many viruses sink to the ocean floor trapped inside appendicularian houses and faecal pellets? How does trapping inside houses and faecal pellets affect the infectivity of viruses relative to their free-floating counterparts? In the VIROVAC project, researchers at NORCE Environment and the University of Bergen will attempt to answer these questions using a combination of laboratory experiments and field sampling. They are assisted by experts in virus and phytoplankton ecology in Canada. Through small-scale clearance experiments we have confirmed that the appendicularian O. dioica efficiently removes different types of marine viruses from seawater, and that these viruses retain infectivity in O. dioica faecal pellets, despite having passed through the animal gut! We have also taken part in a large seawater mesocosm experiment, during which we demonstrated that O. dioica can also efficiently remove EhV from complex natural marine virus assemblages, moving the potential importance of this interaction from the laboratory into the marine environment. We have also conducted three one-day cruises near Bergen and gathered sediment and water samples to test for the presence of EhV particles, and have shown that EhV particles can sink to the seafloor and collect in sediments, where they retain their infectivity for weeks and possibly months. The most important lessons learned are that O. dioica feeding may directly impact both the abundance and ecological fate of different marine viruses. Furthermore, our ability to detect infectious virus particles in seafloor sediments allows us to test our mechanistic model that O. dioica abundance in the water column positively correlates with EhV accumulation in underlying sediments.