Открытие о симбиозе кораллов и водорослей может помочь коралловым рифам восстановиться

Кораллы являются ключевыми видами для рифовых и морских экосистем, но обесцвечивание кораллов из-за изменения климата и потепления океана убивает их. Новое исследование открытого доступа, проведенное исследователями из Калифорнийского университета в Риверсайде, призвано пролить свет на то, как обратить вспять ущерб и спасти кораллы.

Вместе с морскими анемонами и медузами кораллы принадлежат к группе, называемой книдариями, которые получают некоторые из своих питательных веществ через симбиотические отношения с фотосинтетическими водорослями, живущими внутри их клеток. Высокие температуры океана вызывают разрушение симбиоза, приводящего к "обесцвеченному" кораллу, который изгнал водоросли. Если симбиоз не будет начат в течение нескольких недель, коралл умрет от голода.

Новое исследование показывает, что, хотя фотосинтез водорослей является ключевой частью симбиотических отношений, не требуется инициировать симбиоз. Открытие добавляет к малоизученным отношениям между книдариями и водорослями на молекулярном уровне и дает представление о том, как начать симбиотические отношения между двумя организмами после события обесцвечивания. Это также может привести к стратегиям, которые могут помешать более теплым океанам нарушить симбиотические отношения между двумя организмами и спасти то, что осталось от кораллов мира.

Cnidarians образуют мутуалистический симбиоз с фотосинтетическими водорослями из семейства динофлагеллятов Symbiodiniaceae, которые живут внутри своих клеток-хозяев. Водоросли выполняют фотосинтез, фиксируют углекислый газ в сахара, а затем передают это своим хозяевам. Некоторые виды кораллов полностью зависят от пищи, которую они получают от своих симбионтов водорослей, и умрут без нее. Взамен водоросли получают питательные вещества, такие как азот и фосфор, от добычи, которую ловит хозяин. Фотосинтез является ключевой частью этих симбиотических отношений, но не было известно, может ли этот симбиоз образовываться без фотосинтеза.

Роберт Джинкерсон, доцент кафедры химической и экологической инженерии в UCR, и Тингтинг Сян, доцент биологических наук в Университете Северной Каролины в Шарлотте, возглавили команду, чтобы сделать первые мутанты в водорослях Symbiodiniaceae - изолировать мутантов, которым не хватало способности к фотосинтезу, и использовать эти мутанты для исследованиясимбиоз с книдариями

“Мы были очень рады получить шесть фотосинтетических мутантов, а затем использовать эти мутанты, чтобы начать исследовать симбиоз между этими водорослями и их хозяевами”, - сказал Джинкерсон.

Команда ввела мутантные водоросли в резервуары с морской водой, которые содержали морские анемоны (Exaiptasia pallida), которые еще не установили симбиоз с какими-либо водорослями. Вего через один день водоросли уже можно было найти в щупальцах морской анемоны, даже без фотосинтеза. Чтобы узнать, могут ли водоросли выжить в ткани хозяина морской анемоны без фотосинтеза в течение более длительных периодов времени, исследователи заразили некоторые морские анемоны в темноте мутантными и немутантными водорослями и держали их в темноте в течение шести месяцев. Даже через шесть месяцев клетки водорослей все еще наблюдались в тканях морской анемоны. Хотя они могли заражать клетки-хозяева и поддерживать себя в течение шести месяцев, водоросли не размножались и не размножались.

Группа также проверила четыре других вида водорослей, которые, как известно, образуют симбиотические отношения с морскими анемонами, и обнаружила, что они тоже могут инициировать симбиоз в темноте. Джинкерсон, Сян и их коллега Масаюки Хатта в Японии затем ввели водоросли в темноте в резервуар, содержащий ювенильные полипы каменистого коралла Acropora tenuis. Водоросли успешно заражали коралл в темноте. Неожиданно водоросли смогли размножаться в тканях кораллов без фотосинтеза, чего не наблюдается у морских анемонов.

Наконец, чтобы узнать, верна ли эта закономерность для третьего члена книдарианской группы, исследователи добавили водоросли в затемненный резервуар с перевернутыми полипами медузы (Cassiopea xamachana). Еще раз водоросли заразили полипы, хотя и не так успешно, как в морской анемоне и коралле. Создание симбиоза может продолжаться без фотосинтеза у кораллов, медуз и хозяев морских анемон, но различные аспекты отношений, такие как пролиферация водорослей без фотосинтеза, зависят от конкретных отношений хозяин–водоросли.

“Наше исследование подчеркивает силу передовых генетических подходов к исследованию симбиоза cnidarian Symbiodiniaceae и обеспечивает многообещающую платформу для ответа на ключевые вопросы симбиоза и, в конечном счете, разработки стратегий спасения кораллов”, - сказал Сян.

Открытие того, что фотосинтез не является необходимым условием для начала симбиотических отношений, является шагом на пути к поиску способов помочь книдарианцам пережить изменение климата.

“Время имеет важное значение в отношении защиты коралловых рифов, и мы надеемся, что эти мутанты позволят нам и другим увеличить общий темп достижения этой цели”, - сказал соавтор Джозеф Руссо, докторант в лаборатории Джинкерсона.