Es wurde festgestellt, dass das Risiko einer Virusübertragung mit zunehmendem Klima in hocharktischen Seesedimenten zunimmt

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Verfahren der Royal Society Bführten Forscher eine kombinierte metagenomische und kophylogenetische Modellanalyse durch, um die Auswirkungen des Klimawandels auf das Virus-Spillover-Risiko im Kontext einer sich verändernden hocharktischen Umwelt zu bewerten.

Lernen: Mit dem Klimawandel steigt das Virus-Spillover-Risiko in hocharktischen Seesedimenten. Bildquelle: Bernhard Stähli/Shutterstock

Das Spektrum der Wirte für Viren ist sehr vielfältig, da Viren einige Arten bis hin zu mehreren Organismenstämmen infizieren können. Bei der Konfrontation mit einem neuen Wirt könnte ein viraler Organismus den Wirt infizieren und ihn nachhaltig in den neuen Wirt übertragen. Dieser Vorgang wird als viraler Spillover bezeichnet. Das Risiko einer Virusübertragung lässt sich jedoch nicht einfach quantifizieren. Angesichts der sich aufgrund klimatischer Schwankungen schnell verändernden Umgebungen ist die Bewertung des Spillover-Risikos unerlässlich und erfordert weitere Untersuchungen.

Über die Studie

In der vorliegenden Studie führten die Forscher eine metagenomische Analyse durch, um die Auswirkungen des Klimawandels (globale Erwärmung und Gletscherabfluss) auf das Virus-Spillover-Risiko zu bewerten, wobei der Schwerpunkt auf zwei lokalen Umgebungen lag: Seesedimenten und Bodenproben aus dem Hazen-Süßwassersee in der Hocharktisregion.

Zwischen dem 10. Mai und dem 10. Juni 2017 wurden Sediment- und Bodenkerne aus dem Lake Hazen gesammelt. Die Kernproben wurden zwischen diesen beiden Umgebungen gepaart, um nach Möglichkeit kontrastierende Sediment- und Bodenstandorte zu erhalten. Bodenproben wurden aus drei Regionen in den saisonal ausgetrockneten Flussbetten der Nebenflüsse, am Nordufer und stromaufwärts des Süßwassersees entnommen. Die entsprechenden Seesedimentproben wurden anhand ihrer saisonalen Abflussmengen in hydrologische Regime unterteilt.

Die Kernproben wurden einer Ribonukleinsäure (RNA)- und Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Sequenzierungsanalyse unterzogen, um die Virosphäre des Sees in seinen Sedimenten und Böden sowie in seinem Spektrum an eukaryotischen Wirten mithilfe eines kombinierten Metagenomik- und Metatranskriptomik-Ansatzes zu rekonstruieren. Zwölf Bibliotheken (jeweils sechs für RNA und DNA), zwei für jede Probenahmestelle, wurden erstellt und die Bibliotheken wurden für jede Probe repliziert. Anschließend wurden die viralen Spillover-Risiken basierend auf der Kongruenz zwischen dem eukaryotischen Wirt und den viralen Stammbäumen abgeschätzt.

Resultate und Diskussion

Viren machten <1,0 % der Contigs aus, und die Kernproben wurden hauptsächlich von bakteriellen Organismen dominiert (≥89 %), mit geringen Eukaryotenanteilen (≤6,4 %) in fast allen (11 von 12) Proben. Das Team fand unter viralen HSPs eukaryotische Viren, Bakteriophagen und sogar Virophagenarten, die ungleichmäßig zwischen den DNA- (100 %) und RNA-Genomen (74 %) verteilt waren.

Die Ergebnisse waren unerwartet, da die Pilzbiomasse die Bakterienbiomasse in der arktischen Umwelt übersteigt und eukaryotische Organismen als Hauptziele von RNA-Viren gelten. Die meisten eukaryotischen Virusorganismen befallen hauptsächlich Pilze und Pflanzen, wobei der Anteil zwischen 62 % und 92 % liegt.

Für die Seesedimente und Bodenproben wurden unterschiedliche Spillover-Risikomuster festgestellt. Mit zunehmender Gletscherabflussmenge blieb das Spillover-Risiko anhaltend hoch, ging jedoch bei Bodenproben zurück. Mit einer Verstärkung des Gletscherabflusses würde auch die Gletschererosionskraft zunehmen und Flussufer- und Flussbettinhalte in den Süßwassersee transportieren. Die Erosion würde somit Krankheitserreger aus dem Oberboden der Umwelt ausrotten und somit die Wahrscheinlichkeit einer Virus-Wirt-Interaktion verringern, d. h. das Risiko einer Virusübertragung verringern.

Im Gegensatz dazu erhöhte ein Anstieg des Gletscherabflussvolumens für die Seesedimente das Spillover-Risiko erheblich. In jüngster Zeit kam es im Hazen-See ab 2007 zu einer bemerkenswerten Veränderung der Sedimentationsraten im Vergleich zu den in den letzten 300 Kalenderjahren beobachteten Raten. Erhöhter Abfluss von den Gletschern würde die Lieferung von Sedimenten in den Hocharktischen See vorantreiben und die Trübung erhöhen, die das in früheren Aufzeichnungen gemeldete anoxische Grundwasser stören könnte.

Saisonale Schwankungen der Trübung der Wassersäule könnten den Lebensraum des Sees jedes Jahr, insbesondere ab 2007, fragmentieren. Die Fragmentierung des Seelebensraums könnte aufgrund des Effekts der Koevolution günstige Spillover-Bedingungen schaffen. Die Fragmentierung würde genetische Flussbarrieren schaffen, die genetische Drift in endlichen Populationen erhöhen und die Koevolution von Virus und Wirt beschleunigen.

Die Beschleunigung könnte zu einer Diversifizierung der Viren führen, wie an der Zunahme der β-Diversität auf der Ebene der Virusfamilien zu beobachten ist. Wenn die Diversifizierung mit Brückenvektoren wie Stechmücken im Landsystem und/oder invasiven Arten in Stauseen verschmolzen wird, könnten die Risiken einer Virusübertragung weiter zunehmen.

Seesedimente können als Umweltarchive betrachtet werden, da sie das Genommaterial aquatischer Arten im Laufe der Zeit, möglicherweise in geringerem Maße, aus dem Einzugsgebiet bewahren können. Unabhängig vom Ort der Wirt-Virus-Wechselwirkungen steigt das Spillover-Risiko für Seesedimente mit der Klimaerwärmung.

Protisten und Tiere waren am anfälligsten für Spillover, wohingegen Pilze und Pflanzen eine geringere Anfälligkeit für Spillover zeigten, obwohl Pilz- und Pflanzenviren in den Proben überrepräsentiert waren. Zu den Wirten gehörten Verwandte bekannter Krankheitsüberträger wie Aedes aegypti (Gelbfieber), Ixodes scapularis und Krankheitserreger wie Pseudogymnoascus destructans (Weißnasensyndrom bei Fledermäusen) und Fusarium poae (Welken von Pflanzen). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Spillover-Effekte möglicherweise bereits begonnen haben.

Insgesamt zeigten die Studienergebnisse, dass das Virus-Spillover-Risiko mit dem Abfluss der Gletscherschmelze zunahm, ein Indikator für den Klimawandel. Wenn der Klimawandel das Artenspektrum potenzieller Virusüberträger und -reservoirs nach Norden verschiebt, könnte die Hocharktisregion zum fruchtbaren Boden für neu auftretende Pandemien werden.

Referenz:

Lemieux A, Colby GA, Poulain AJ, Aris-Brosou S. (2022). Mit dem Klimawandel steigt das Virus-Spillover-Risiko in hocharktischen Seesedimenten. Verfahren der Royal Society B. doi: https://doi.org/10.1098/rspb.2022.1073 https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2022.1073

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