Микробиом кораллов — ключ к выживанию в условиях изменения климата
Согласно новому исследованию под руководством Penn State, микробиомы кораллов, включающие бактерии, грибы и вирусы, играют важную роль в способности кораллов переносить повышение температуры океана. Команда также определила несколько генов в самих кораллах и у живущих в их тканях симбиотических фотосинтезирующих водорослей, которые могут быть задействованы в реакции на тепловой стресс. Эти данные могут повлиять на современные усилия по сохранению рифов, например, указав на потенциальную пользу внесения в рифы микробов, усиливающих реакцию кораллов на тепловой стресс.
"Мы обнаружили, что когда некоторые кораллы испытывают тепловой стресс, их микробиомы могут защитить их от обесцвечивания. Кроме того, теперь мы можем определить конкретные гены у кораллов и их фотосимбионтов, которые могут быть вовлечены в эту реакцию на тепловой стресс", — сказала Моника Медина, профессор биологии Penn State.
Как отметила Виридиана Авила-Маганья, предыдущие исследования молекулярных механизмов термоустойчивости кораллов, как правило, фокусировались только на животном-хозяине или фотосимбионте, но теперь известно, что в стрессовом ответе задействован весь голобионт — коралл, фотосимбионт и микробиом.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, учёные сосредоточились на трёх видах кораллов с разной чувствительностью к тепловому стрессу:
Orbicella faveolata
Pseudodiploria clivosa
Siderastrea radians
Каждый вид имеет уникальный набор фотосимбионтов и микробиомов. Целью было изучить вклад каждого члена голобионта в общую устойчивость кораллов и выявить различия в паттернах экспрессии генов, связанных с этими метаболическими активностями.
Эксперимент и методы
Исследователи провели контролируемый эксперимент с тепловым стрессом, поддерживая три вида кораллов в течение девяти дней при температуре 34 °C (на 6 °C выше их обычной среды). После этого они секвенировали РНК голобионтов (кораллов, фотосимбионтов и микробиомов) как в опытной, так и в контрольной группе, чтобы обнаружить изменения в экспрессии генов.
Для анализа эволюционных изменений команда использовала метод Expression Variance and Evolution Model (модель эволюции и дисперсии экспрессии) на основе филогенетического дисперсионного анализа (ANOVA).
"Этот подход позволяет отслеживать гены, экспрессия которых уже дивергировала у разных видов в ответ на определённые стимулы — в нашем случае тепловой стресс. Мы смогли понять, почему разные кораллы имеют уникальные физиологические реакции на тепловой стресс", — пояснила Виридиана Авила-Маганья.
Результаты и выводы
Данные по экспрессии генов показали, что три коралловых голобионта действительно различаются по своим реакциям и метаболическим возможностям в условиях высокотемпературного стресса. Каждый член голобионта вносил уникальный вклад в общую способность системы справляться с тепловым стрессом.
"Мы обнаружили больше генов, связанных с реакцией на тепловой стресс у коралловых голобионтов, чем предыдущие исследования, и также показали, что изменения в экспрессии этих генов возникли в ходе эволюции", — сказала Моника Медина.
Бóльшая термоустойчивость, наблюдаемая у некоторых кораллов (например, Siderastrea radians), может частично объясняться более высоким числом и разнообразием термотолерантных микробов в их микробиомах. Это создаёт избыточность в ключевых метаболических путях, защищающих от теплового стресса.
"Мы обнаружили, что у некоторых кораллов стабильный и разнообразный микробиом, что обеспечивает широкий спектр метаболических возможностей, остающихся активными во время теплового воздействия. Напротив, у менее термотолерантных видов была снижена бактериальная активность и разнообразие", — отметила Авила-Маганья.
Результаты подчёркивают важность сравнительных исследований широкого круга видов для понимания разнообразных реакций кораллов на повышение температуры поверхности моря.