Микробиомы кораллов, которые включают бактерии, грибы и вирусы, играют важную роль в способности кораллов переносить повышение температуры океана, согласно новому исследованию, проведенному Пенсильванским университетом. Команда также идентифицировала несколько генов в некоторых кораллах и симбиотических фотосинтезирующих водорослях, которые живут внутри их тканей и которые могут играть роль в их реакции на тепловой стресс. Выводы могли бы помочь в текущих усилиях по сохранению коралловых рифов, например, подчеркнув потенциальные преимущества внесения в коралловые рифы микробов, которые, как было установлено, усиливают реакцию кораллов на тепловой стресс.
«Продолжительное воздействие тепла может вызвать «обесцвечивание», при котором фотосимбионты (симбиотические водоросли) выбрасываются из кораллового животного, что приводит к его смерти», - сказала Моника Медина, профессор биологии из Пенсильванского университета. «Мы обнаружили, что, когда некоторые кораллы подвергаются тепловому стрессу, их микробиомы могут защитить их от обесцвечивания. Кроме того, теперь мы можем точно определить специфические гены у коралловых животных и их фотосимбионтов, которые могут быть вовлечены в эту реакцию на тепловой стресс».
Виридиана Авила-Маганья, бывшая студентка Университета штата Пенсильвания, а в настоящее время научный сотрудник Колорадского университета в Боулдере, отметила: «Предыдущие исследования молекулярных механизмов, лежащих в основе устойчивости кораллов к тепловому стрессу, были, как правило, сосредоточены только на животных или животных. фотосимбионт, но теперь мы знаем, что весь холобионт - коралловое животное, фотосимбионт и микробиом - участвует в реакции на стресс."
В своем исследовании, которое было опубликовано сегодня (30 сентября) в Nature Communications, исследователи сосредоточились на трех видах кораллов - горном звездчатом коралле (Orbicella faveolata), узловатом мозговом коралле (Pseudodiploria clivosa) и мелководном кораллы водяной звездочки (Siderastrea radians), которые, как известно, различаются по своей чувствительности к тепловому стрессу. Каждый вид кораллов, собранный недалеко от Пуэрто-Морелос в Мексике, содержит уникальный набор фотосимбионтов и микробиомов. Цель группы состояла в том, чтобы исследовать различные метаболические вклады каждого из членов голобионта в общую устойчивость кораллов к стрессу и выявить различия в паттернах экспрессии генов, связанных с этой метаболической активностью..
Медина объяснила, что обмен веществ - это процесс преобразования пищи в энергию. По ее словам, для кораллов этот процесс в значительной степени управляется фотосимбионтами, которые посредством фотосинтеза обеспечивают коралловых животных не менее чем на 90% их потребностей в энергии. Но до сих пор вклад микробиомов не был хорошо изучен.
«Мы знаем, что тепловой стресс, вызванный изменением климата, может нарушить метаболизм кораллов и привести к их обесцвечиванию», - сказал Медина. «Поэтому важно понимать различный вклад членов голобионта и то, как эти метаболические активности меняются в ответ на тепловой стресс».
Исследователи провели эксперимент с контролируемым тепловым стрессом, в ходе которого они содержали три вида кораллов в аквариуме в течение девяти дней при температуре 93 градуса по Фаренгейту (34 градуса по Цельсию), что на 11 градусов (6 градусов по Цельсию) теплее, чем в среднем. нормальная температура для этих кораллов. Ученые секвенировали РНК коралловых холобионтов, включая коралловых животных, фотосимбионтов и представителей микробиомов, после девятидневного периода и контрольной группы, не подвергавшейся тепловому стрессу, с целью обнаружения изменений в экспрессии генов. которые влияют на реакцию холобионта на тепловой стресс. В частности, они использовали данные об экспрессии генов для оценки метаболической активности каждого члена голобионта.
Затем команда использовала тип филогенетического метода дисперсионного анализа, называемый моделью дисперсии и эволюции экспрессии, для изучения изменений в экспрессии генов, связанных с тепловым стрессом, которые произошли в течение эволюционного времени.
"В сотрудничестве с профессором Рори Рольфс из Университета штата Сан-Франциско, который является соавтором этого исследования, мы разработали метод, основанный на филогенетическом дисперсионном анализе, который позволил нам отслеживать гены, экспрессия которых уже различалась у разных видов в реакция на любые стимулы - в нашем случае тепловой стресс», - сказала Виридиана Авила-Маганья. «Этот подход становится особенно актуальным для исследования коралловых рифов, учитывая недавние дебаты об адаптивном потенциале различных коралловых холобионтов в условиях угрозы изменения климата. Имея в виду этот подход, мы смогли понять, почему разные кораллы имеют уникальные физиологические реакции на тепловой стресс. и как эволюция экспрессии генов сформировала их различную восприимчивость."
Авила-Маганья объяснил, что кораллы испытали эпизоды повышенных температур в ходе эволюции, и понимание того, как экспрессия генов эволюционировала в ответ на эти события, может повлиять на реакцию кораллов на сегодняшние и будущие события потепления.
«Наша цель в этом исследовании состояла в том, чтобы определить, были ли специфические для линии нововведения в отношении теплового стресса у кораллов и их фотосимбионтов водорослей, а также все ли члены, включая бактериальные сообщества, по-разному способствуют устойчивости холобионтов», сказала она.
Данные по экспрессии генов показали, что три коралловых голобионта действительно различались по своим реакциям и метаболическим возможностям в условиях высокотемпературного стресса. Команда также обнаружила, что у представителей каждого голобионта были уникальные реакции, которые влияли на общую способность голобионта справляться с тепловым стрессом.
«Мы обнаружили больше генов, связанных с реакцией на тепловой стресс у коралловых голобионтов, чем в предыдущих исследованиях, и мы также показываем, что изменения в экспрессии этих генов возникали в ходе эволюции», - сказал Медина.
Интересно, что ученые пришли к выводу, что большая термоустойчивость, наблюдаемая у некоторых коралловых холобионтов, таких как коралл-звездочка, может быть частично связана с большим количеством и разнообразием термоустойчивых микробов в их микробиомах, что обеспечивает избыточность ключевых метаболических путей, защищающих от теплового стресса.
«Мы обнаружили, что у некоторых кораллов есть стабильный и разнообразный микробиом, обеспечивающий широкий спектр метаболических способностей, которые, как мы показали, остаются активными во время теплового испытания», - сказал Авила-Маганья. «Наоборот, мы обнаружили, что у менее термоустойчивых видов бактериальная активность и разнообразие снижены».
Медина отметила, что результаты подчеркивают важность сравнительных подходов к широкому кругу видов для лучшего понимания разнообразной реакции кораллов на повышение температуры поверхности моря.
Медина и Авила-Маганья сказали: «Кораллы сильно пострадали от изменения климата, и методы, которые мы разработали в нашем исследовании, представляют собой отличный инструмент для ученых, пытающихся понять адаптивный потенциал популяций и видов».
Среди других авторов статьи Сусана Энрикес, профессор Национального автономного университета Мексики; Бишой Камел, доцент кафедры биологии Университета Нью-Мексико и Объединенного института генома, Майкл ДеСальво, Калифорнийский университет в Мерседе; Роберто Иглесиас-Прието, профессор биологии, Пенсильвания; Келли Гомес-Кампо, аспирант биологии Пенсильванского университета; Хироаки Китано, профессор Института системной биологии Японии; и Рори Рольфс, доцент биологии Университета штата Сан-Франциско.
Национальный научный фонд и Объединенный институт генома (Министерство энергетики) поддержали это исследование.