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Ran Chen
Author with expertise in Ecology and Evolution of Viruses in Ecosystems
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Dual control of lysogeny and phage defense by a phosphorylation-based toxin/antitoxin system

Yunxue Guo et al.Sep 5, 2022
SUMMARY Regulatory systems that maintain prophage quiescence integrate phage and host gene expression with environmental conditions 1,2 . In the opportunistic bacterial pathogen Pseudomonas aeruginosa , Pf filamentous bacteriophages play critical roles in biofilm formation and virulence 3-5 , but mechanisms governing Pf prophage activation in biofilms are largely unknown. Here, we report a new type of prophage regulatory module in a widely-distributed P. aeruginosa lineage that not only controls virion production of co-resident Pf prophages, but also mediates defense against diverse lytic phages. By comparing two lineages of the prototype P. aeruginosa strain PAO1 that harbor different Pf prophages, we identified a prophage-encoded kinase-kinase-phosphatase (KKP) system that controls Pf production in biofilms. KKP components exhibit dynamic stoichiometry, where high kinase levels in planktonic conditions maintain phosphorylation of the host H-NS protein MvaU, repressing prophage activation. During biofilm formation, phosphatase expression is heightened, leading to MvaU dephosphorylation and alleviating repression of prophage gene expression. KKP clusters are present in hundreds of diverse temperate prophages and other mobile elements across Gram-negative bacteria. Characterization of KKP modules from different species revealed that, in addition to regulating Pf phage lysogeny, KKP functions as a tripartite toxin-antitoxin system that mediates host defense from predatory lytic phages. KKP represents a new phosphorylation-based mechanism for prophage regulation and for phage defense. The dual function of this module raises the question of whether other newly described phage defense systems 6-9 also regulate intrinsic prophage biology in diverse hosts.
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Global response of soil biodiversity to climate and land use changes

Xiaoqian Shen et al.Aug 11, 2024
Soil biodiversity (SB) is experiencing significant changes worldwide, yet its responses to climate and land use changes remain unclear. In light of this, we combined multiple environmental factors to construct a global SB dataset with a spatial resolution of 0.25° × 0.25° from 2000 to 2019. We determined that the global mean SB value was 0.66 during 2000–2019, and it slowly increased at a rate of 6.24 × 10−4/yr. The highest SB value (1.20) occurred within the Amazon Plain. Among the climate factors, temperature (T) was found to be responsible for the majority of the SB changes, accounting for approximately 40% of them. Compared to the results of other studies, our findings indicated that the SB increased across all types of land use and that urbanization had a positive impact on the increase in the SB. However, the most significant increase occurred in the pasture/range land. Precipitation (P) had similar effects on the SB in the pasture/range land and unmanaged grass/shrubland, while the areas with sparse or no vegetation experienced significant variations in temperature. These findings provide additional insights into the global pattern of SB and highlight the role of climate and land use changes in driving global and regional changes in SB.
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Enhanced lake elevation mapping using a zone-based method

Meng Fan et al.Jul 22, 2024
Abstract Inland lakes play a crucial role in monitoring global climate change and managing responses to extreme weather events, with lake elevation being critical for assessing their regulatory capacities. However, due to the limited temporal resolution of current altimetry satellites, obtaining high-frequency, high-precision elevation data for water bodies remains challenging. Consequently, most studies utilize elevation-area (E-A) models constructed from historical elevation and area records, integrated with area observations from high-temporal resolution optical satellites to infer precise water levels. Yet, the construction of the E-A model often assumes a uniform water level across the lake, thus overlooking potential segmentation during dry periods. To address this, our study implemented a zone-based approach, utilizing hydrological connectivity principles to ensure that elevation data within E-A models are confined to appropriate zonal regions. This method effectively minimized uncertainties by preventing errors from zonal discrepancies, significantly improving accuracy compared to traditional methods. It reduced root mean square errors (RMSE) by 0.71–1.73 m during the dry season, achieving RMSEs of 0.35, 0.64, and 0.37 m across three segments. Furthermore, this method ensures water level data are confined to specific zones, preventing the inconsistencies typically caused by averaging data across multiple stations or selecting data from varying elevations. This consistent domain definition reduces extrapolation errors during the model prediction and inversion. Moreover, the method compensates for time information losses often incurred by relying on multi-year percentile charts, thereby enabling more precise aquatic boundary delineation than traditional regional boundaries.
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Arsenic leaching from ceramic water filters: Effects of firing temperature and influent conditions

Hongzhi Sun et al.Jan 1, 2025
Ceramic water filters (CWFs), fabricated using local sourced clay, have been widely acknowledged as sustainable and effective point-of-use (POU) drinking water treatment approach. However, arsenic leaching from CWFs poses a potential risk of arsenic exposure, thereby limiting their safe application. In this study, CWFs were made from red clay to investigate the critical roles of firing temperatures (900–––1050 °C), solution chemistry conditions (i.e., pH, Na+, Ca2+), as well as operational conditions on arsenic leaching. Overall, arsenic leaching from CWFs followed a flushing-out pattern, with up to 61% of total leachable arsenic released during first 100-pore-volume filtration. Specially, higher firing temperature led to lower initial arsenic leaching but higher cumulative leaching from resulting CWFs over long-term filtration. Feed solutions at circumneutral pH, with low Na+ or high Ca2+ resulted in less cumulative arsenic leaching, while POU operational conditions (intermittent operation and fluctuating flow rate) had negligible effects. Mechanism investigation found that firing process enhanced arsenic mobility, i.e., the exchangeable arsenic fraction was only 5.34 % in unfired clay but 26.7 % − 37.3 % in CWFs. The enhanced arsenic mobility was mainly caused by the thermal transformation of source clay, especially the thermal alteration in the hematite lattice. Our findings provide not only new insights into the process controlling arsenic leaching from CWFs but also shed light on ways to mitigate leaching, thereby improving the safety of CWFs application.
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Control of lysogeny and antiphage defense by a prophage-encoded kinase-phosphatase module

Yunxue Guo et al.Aug 23, 2024
Abstract The filamentous ‘Pf’ bacteriophages of Pseudomonas aeruginosa play roles in biofilm formation and virulence, but mechanisms governing Pf prophage activation in biofilms are unclear. Here, we identify a prophage regulatory module, KKP (kinase-kinase-phosphatase), that controls virion production of co-resident Pf prophages and mediates host defense against diverse lytic phages. KKP consists of Ser/Thr kinases PfkA and PfkB, and phosphatase PfpC. The kinases have multiple host targets, one of which is MvaU, a host nucleoid-binding protein and known prophage-silencing factor. Characterization of KKP deletion and overexpression strains with transcriptional, protein-level and prophage-based approaches indicates that shifts in the balance between kinase and phosphatase activities regulate phage production by controlling MvaU phosphorylation. In addition, KKP acts as a tripartite toxin-antitoxin system that provides defense against some lytic phages. A conserved lytic phage replication protein inhibits the KKP phosphatase PfpC, stimulating toxic kinase activity and blocking lytic phage production. Thus, KKP represents a phosphorylation-based mechanism for prophage regulation and antiphage defense. The conservation of KKP gene clusters in >1000 diverse temperate prophages suggests that integrated control of temperate and lytic phage infection by KKP-like regulatory modules may play a widespread role in shaping host cell physiology.