Атлас клеток каменистых кораллов — новый инструмент для сохранения рифов

Исследователи из Хайфского университета, Института Вейцмана и Центра геномной регуляции (CRG) создали первый атлас всех различных типов клеток рифообразующего каменистого коралла Stylophora pistillata, обитающего в Индо-Тихоокеанском регионе. Исследование, опубликованное в журнале Cell, впервые выявило наличие специализированных иммунных клеток у кораллов.

Результаты дают новое понимание молекулярной биологии и эволюции кораллов и помогут текущим и будущим усилиям по сохранению рифовых экосистем, которым угрожают повышение температуры и закисление океана.

Карта показывает, что Stylophora pistillata имеет 40 различных типов клеток на трёх основных стадиях жизненного цикла. Исследователи обнаружили молекулярные механизмы, ответственные за ключевые биологические процессы, такие как формирование кораллового скелета, который служит средой обитания для множества морских видов. Команда также раскрыла, как кораллы устанавливают симбиотические отношения с фотосинтезирующими водорослями, живущими внутри их клеток.

Учёные с удивлением обнаружили присутствие специализированных иммунных клеток, использующих множество генов, обычно связанных с функцией иммунных клеток у позвоночных. Ранее считалось, что врождённый иммунитет играет роль в сохранении здоровья симбиотических водорослей и устойчивости к повышению температуры и кислотности, но до сих пор специализированные иммунные клетки у кораллов не были описаны.

По словам доктора Тали Масс, одного из авторов исследования из Хайфского университета: «Коралловые рифы играют критическую роль в экосистеме океанов и морей, поскольку обеспечивают среду обитания для около 25% морских животных и создают крупнейшие в мире биогенные структуры. Потепление морской воды и повышение кислотности угрожают будущему коралловых рифов, и, соответственно, генетическое секвенирование, которое мы завершили, чрезвычайно важно для выживания коралловых рифов и будущего океанов».

Арнау Себе Педрос, соавтор исследования и руководитель группы в CRG, отмечает: «Наша работа систематически определяет молекулярную биологию клеток кораллов. Этот клеточный атлас поможет лучше понять реакцию кораллов на повышение температуры и закисление океана и может в конечном итоге помочь разработать меры для повышения устойчивости оставшихся коралловых рифов. Эта работа также является хорошим примером того, как технологии одноклеточной геномики революционизируют наше понимание биоразнообразия и эволюции животных, преодолевая разрыв между геномами и организмами».

Исследователи построили клеточный атлас, используя метод одноклеточного РНК-секвенирования для измерения экспрессии генов каждой отдельной клетки. В исследованиях этот метод почти исключительно ограничен видами, которые можно выращивать в лабораторных условиях. Поскольку каменистые кораллы сложно выращивать в лаборатории, исследователи в Израиле собрали кораллы на разных стадиях жизненного цикла в заливе Эйлат, а затем доставили их в Институт Вейцмана и в CRG в Барселоне для секвенирования и анализа. Это одно из немногих исследований, в котором проводится одноклеточный анализ видов, отобранных в дикой природе.

Каменистые кораллы являются видами-основателями для многих коралловых рифов. Они начинают жизнь как плавающая личинка, которая оседает и превращается в полип. Полипы быстро строят богатый белками матрикс, формирующий карбонатно-кальциевый скелет, в конечном итоге развиваясь в колониальную взрослую особь, состоящую из множества отдельных полипов. Колонии каменистых кораллов — основная среда обитания для огромного разнообразия морских видов, поэтому коралловые рифы считаются «тропическими лесами моря».

Каменистые кораллы живут в тропических морях, формируя симбиотические отношения с фотосинтезирующими водорослями, живущими внутри их клеток. Водоросли поставляют продукты фотосинтеза клетке, которая, в свою очередь, обеспечивает водоросли углеродом. Эти симбиотические отношения поддерживают высокие энергетические потребности роста и размножения кораллов, включая производство скелета.

В последние десятилетия наблюдается глобальный спад коралловых рифов. Основными причинами этого являются повышение температуры и закисление океана, которые напрямую влияют на симбиоз кораллов, приводя к их обесцвечиванию (когда кораллы изгоняют водоросли из своих тканей), а также нарушают формирование скелета из-за снижения скорости кальцификации.