«Продолжительное воздействие тепла может вызвать« обесцвечивание », при котором фотосимбионты (симбиотические водоросли) выбрасываются из кораллового животного, в результате чего животное умирает», — сказала Моника Медина, профессор биологии 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 определенные гены у коралловых животных и их фотосимбионтов, которые могут участвовать в этой реакции на тепловой стресс».Виридиана Авила-Магана, бывшая студентка Университета Пенсильвании и в настоящее время доктор наук в Университете Колорадо в Боулдере, отметила: «Предыдущие исследования молекулярных механизмов, лежащих в основе устойчивости кораллов к тепловому стрессу, как правило, были сосредоточены только на животных или фотосимбионтах, но мы теперь мы знаем, что весь холобионт — коралловое животное, фотосимбионт и микробиом — участвует в реакции на стресс ».В своем исследовании, опубликованном сегодня (30 сентября) в журнале Nature Communications, исследователи сосредоточили свое внимание на трех видах кораллов — горных звездчатых кораллах (Orbicella faveolata), узловатых кораллах-мозгах (Pseudodiploria clivosa) и мелководных звездчатых кораллах ( Siderastrea radians), которые, как известно, различаются по своей чувствительности к тепловому стрессу.
Собранные недалеко от Пуэрто-Морелоса, Мексика, каждый вид кораллов имеет уникальный набор фотосимбионтов и микробиомов. Целью команды было изучить различный метаболический вклад каждого из членов холобионта в общую устойчивость кораллов к стрессу и выявить различия в паттернах экспрессии генов, связанных с этой метаболической активностью.
Медина объяснила, что метаболизм — это процесс преобразования пищи в энергию. В случае кораллов, по ее словам, этот процесс в значительной степени зависит от фотосимбионтов, которые посредством фотосинтеза обеспечивают коралловым животным не менее 90% их потребности в энергии.
Но до сих пор вклад микробиомов не был хорошо изучен.«Мы знаем, что тепловой стресс в результате изменения климата может нарушить метаболизм кораллов и привести к обесцвечиванию», — сказала Медина. «Следовательно, важно понимать различный вклад членов холобионта и то, как эта метаболическая активность изменяется в ответ на тепловой стресс».Исследователи провели эксперимент с контролируемым тепловым стрессом, в котором они поддерживали три вида кораллов в аквариуме в течение девяти дней при температуре 93 градуса по Фаренгейту (34 градуса Цельсия), что на 11 градусов (6 градусов Цельсия) выше, чем средняя температура, которую обычно испытывают эти кораллы. кораллы. Ученые секвенировали РНК коралловых холобионтов, включая коралловых животных, фотосимбионтов и членов микробиомов, после девятидневного периода и контрольной группы, не подвергавшейся тепловому стрессу, с целью обнаружения изменений в экспрессия генов, влияющих на реакцию холобионта на тепловой стресс.
В частности, они использовали данные об экспрессии генов для оценки метаболической активности каждого из членов холобионта.Затем команда использовала тип филогенетического метода дисперсионного анализа, названный моделью вариации экспрессии и эволюции, чтобы изучить изменения в экспрессии генов, связанные с тепловым стрессом, которые произошли в течение эволюционного времени.«В сотрудничестве с профессором Рори Ролфс из Государственного университета Сан-Франциско, который является соавтором этого исследования, мы разработали метод, основанный на филогенетическом дисперсионном анализе, который позволил нам отслеживать гены, которые уже разошлись по экспрессии у разных видов в ответ на любые заданные стимулы. — в нашем случае тепловой стресс », — сказала Виридиана Авила-Магана. «Этот подход становится особенно актуальным для исследования коралловых рифов, учитывая недавние дебаты об адаптивном потенциале различных коралловых холобионтов перед угрозами изменения климата.
Помня об этом подходе, мы смогли понять, почему разные кораллы обладают уникальной физиологической реакцией на тепловой стресс, и как эволюция экспрессии генов повлияла на их различную восприимчивость ".Авила-Магана объяснила, что кораллы переживали эпизоды повышенных температур в течение эволюционного периода, и понимание того, как экспрессия генов эволюционировала в ответ на эти события, может повлиять на реакцию кораллов на нынешние и будущие события потепления.«Наша цель с этим исследованием состояла в том, чтобы определить, были ли какие-то специфические инновации в отношении теплового стресса у кораллов и их водорослевых фотосимбионтов, а также все ли члены, включая бактериальные сообщества, вносят дифференцированный вклад в устойчивость холобионтов», — сказала она.
Данные по экспрессии генов показали, что три коралловых холобионта действительно различались по своим реакциям и метаболическим возможностям при высокотемпературном стрессе. Команда также обнаружила, что члены каждого холобионта обладают уникальными реакциями, которые влияют на общую способность холобионта справляться с тепловым стрессом.
«Мы обнаружили больше генов, связанных с реакцией на тепловой стресс у коралловых холобионтов, чем в предыдущих исследованиях, и мы также показали, что изменения в экспрессии этих генов возникли с течением времени», — сказала Медина.Интересно, что ученые пришли к выводу, что более высокая термостойкость, наблюдаемая у некоторых коралловых холобионтов, таких как звездчатый коралл, может быть частично связана с большим количеством и разнообразием термостойких микробов в их микробиомах, что обеспечивает избыточность ключевых метаболических путей. которые защищают от теплового стресса.«Мы обнаружили, что некоторые кораллы обладают стабильным и разнообразным микробиомом, что выражается в широком спектре метаболических способностей, которые, как мы показали, остаются активными во время теплового воздействия», — сказал Авила-Магана. «Напротив, мы обнаружили, что у менее термостойких видов снизилась бактериальная активность и разнообразие».
Медина отметила, что результаты подчеркивают важность сравнительных подходов к широкому кругу видов, чтобы лучше понять разнообразную реакцию кораллов на повышение температуры поверхности моря.Медина и Авила-Магана заявили: «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-исследователь биологии Университета Нью-Мексико и Объединенного института генома, Майкл ДеСальво, Калифорнийский университет в Мерседе; Роберто Иглесиас-Прието, профессор биологии, Университет штата Пенсильвания; Келли Гомес-Кампо, аспирант кафедры биологии, Университет штата Пенсильвания; Хироаки Китано, профессор, Институт системной биологии Японии; и Рори Ролфс, доцент биологии Государственного университета Сан-Франциско.
Национальный научный фонд и Объединенный институт генома (Министерство энергетики) поддержали это исследование.