Новое исследование вносит неожиданный поворот - можно даже сказать, двойную спираль - в наше понимание того, как коралловые рифы реагируют на потепление и закисление океана. Он также предлагает возможность системы раннего предупреждения об обесцвечивании, вызванном теплом, которое наносит все больший вред коралловым рифам во всем мире.
Обесцвечивание кораллов - когда стресс нарушает партнерские отношения, приносящие пользу как кораллам, так и водорослям, которые обычно живут в их тканях, - сейчас происходит почти в пять раз чаще, чем всего четыре десятилетия назад. Эти события опустошили большие участки живых сред обитания коралловых рифов, а также рыболовство и туризм, которые они питают, таким образом угрожая 375 миллиардам долларов, которые, по оценкам ученых, здоровые рифы приносят мировой экономике каждый год.
В текущем исследовании Эмили Ривест из Института морских наук Вирджинии Уильяма и Мэри и ее коллеги использовали передовую геномную технику, чтобы проверить, может ли потепление и закисление океана повлиять на коралловый хозяин иначе, чем на его водорослей. Исследование, опубликованное в последнем выпуске Frontiers in Marine Science, было подготовлено в соавторстве с Морганом Келли из Университета штата Луизиана, Мелиссой ДеБлассе из Университета Флориды и Гретхен Хофманн из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Исследовательская группа поместила одну группу личинок кораллов и их водорослевых симбионтов в аквариумную воду, нагретую и подкисленную до условий, прогнозируемых на 2100 год, а контрольную группу поместили в современные условия температуры и pH. Затем они сравнили, как клетки кораллов и водорослей из этих экспериментальных и контрольных групп различались с точки зрения экспрессии генов.
Экспрессия генов относится к процессу, посредством которого клетка считывает свой генетический код, копируя выбранные фрагменты ДНК в своем ядре и используя эти «транскрипты» для производства белков для роста и поддержания клеток. В самом широком смысле именно из-за экспрессии генов в вашей печени не растут глазные яблоки и наоборот. Но для каждого типа клеток - будь то печень, роговица, коралл или водоросль - дифференциальная экспрессия генов организма также определяет более тонкие аспекты клеточной структуры и функции, такие как скорость метаболизма или выработка ферментов.
Что важно для текущего исследования, изменения в экспрессии генов также коррелируют со стрессом. Таким образом, исследователи использовали эти изменения, чтобы определить, какие клетки - кораллы или водоросли - больше всего страдают от слишком теплой воды или агрессивной кислотности.
К удивлению исследователей, они обнаружили, что стресс наиболее заметно изменяет экспрессию генов у водорослей. Говорит Ривест: «Мы увидели больше различий в экспрессии генов у симбионта, чем у коралла, что было действительно интересно, потому что я думаю, что люди предполагают, что коралл - поскольку это животное и больше - должен контролировать и, скорее всего, изменить. Исследователи обнаружили, что 89 генов по-разному экспрессировались в клетках водорослей, в то время как только 17 генов по-разному экспрессировались в клетках кораллов.
Технический прорыв
Предыдущие исследования обесцвечивания кораллов были затруднены техническими трудностями определения того, были ли генетические фрагменты, используемые для измерения изменений в экспрессии генов, от кораллового животного или его водорослевого симбионта. Команда Ривеста преодолела эту проблему, сравнив свои наблюдаемые фрагменты с фрагментами в генетических библиотеках, недавно разработанных для каждой группы организмов..
«Мы можем использовать эти новые биоинформационные ресурсы, чтобы сказать: «Хорошо, найдите совпадение», - говорит Ривест. «Это действительно захватывающе, особенно для кораллов, с которыми сложно работать с точки зрения генерации данных о последовательности. До недавнего времени у нас просто не было достаточно хороших генетических библиотек, чтобы эффективно выполнять такую работу».
Предыдущие исследования также в основном были сосредоточены на взрослых кораллах. Вместо этого, изучая личинок и их партнеров-водорослей, команда Ривеста помогла осветить важную и уязвимую стадию в жизненном цикле коралла.
«Наши результаты, - говорит Ривест, - показывают, что водоросли играют более важную роль, чем мы думали раньше, даже на этой очень ранней и критической стадии жизненного цикла. Если вы не добьетесь успеха на личиночной стадии у вас не будет новых взрослых кораллов на рифе. С точки зрения сохранения рифов в будущем, успех на этой ранней стадии является ключевым."
Раннее предупреждение?
Неожиданное открытие команды имеет важные последствия для понимания, мониторинга и защиты коралловых рифов, которым угрожает обесцвечивание.
«Когда мы ищем обесцвечивание, мы часто измеряем цвет коралла, который отражает количество находящихся там симбионтов», - говорит Ривест. Симбионты водорослей содержат фотосинтетические пигменты, которые придают цвет почти прозрачным коралловым тканям. Когда кораллы подвергаются стрессу и теряют свои водоросли, становится виден их основной, обычно беловатый скелет, что придает им обесцвеченный вид.
«Но, - говорит Ривест, - наше исследование показывает, что даже если у вас нет обесцвеченного коралла, отношения между симбионтом и кораллом могут быть совсем другими. симбионты есть - нам действительно нужно понять, как эти отношения меняются, и задолго до того, как симбионты уйдут."
«Если бы мы могли предвидеть, когда произойдет обесцвечивание, - говорит она, - мы могли бы, возможно, попытаться спасти эти рифы - заштриховать их, пересадить выбранные кораллы - все, что могло бы помочь предотвратить эти массовые события. чтобы знать, каковы предупреждающие знаки. Если бы вы могли идентифицировать конкретную сигнатуру экспрессии гена, или повышенную активность, или конкретный белок, тогда вы бы знали, что нужно эффективно измерять и искать."
Ривест признает, что единственный по-настоящему реальный способ остановить обесцвечивание кораллов - это ограничить деятельность человека, которая приводит к потеплению океана. Но она считает, что система раннего предупреждения также может сыграть свою роль в реакции общества.
«Лучшее решение проблемы обесцвечивания кораллов - это решение проблемы глобального потепления океана», - говорит она. «Система раннего предупреждения не может предотвратить эти события, но она может помочь нам уменьшить потери и помочь коралловым рифам сохраниться в той или иной форме в будущем».