Ảnh hưởng của nhiệt độ tăng cao và chất nền lên các văn hóa Symbiodinium tự do sống

Coral Reefs - Tập 34 - Trang 161-171 - 2014
M. R. Nitschke1, S. K. Davy2, T. H. Cribb1, S. Ward1
1School of Biological Sciences, The University of Queensland, St Lucia, Brisbane, Australia
2School of Biological Sciences, Victoria University of Wellington, Wellington, New Zealand

Tóm tắt

Nhiệt độ tăng cao có thể tạo ra nhiều tác động nghiêm trọng và có hại đến sự hợp tác giữa Symbiodinium và động vật không xương sống biển. Tuy nhiên, phản ứng của Symbiodinium sống tự do đối với nhiệt độ cao còn ít được nghiên cứu, đặc biệt là trong bối cảnh môi trường sống tự nhiên của chúng. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã khảo sát phản ứng sinh lý của hai mẫu văn hóa Symbiodinium đối với nhiệt độ cao, một loại hoàn toàn sống tự do thuộc nhóm ITS2 clade A (chủng HI-0509) và loại hình thành sự hợp tác thuộc loại ITS2 A1 (chủng CCMP2467). Các chủng Symbiodinium sống hoàn toàn tự do gần đây đã được tách ra từ trầm tích đáy biển, và vì vậy cả hai chủng này đều được nuôi cấy với hoặc không có một môi trường nhỏ chứa trầm tích carbonate ở các nhiệt độ 25, 28 hoặc 31 °C. Năng suất lượng tử tối đa của hệ thống quang hợp II (F v/F m) và tốc độ tăng trưởng riêng biệt được đo lường như là các biến phản ứng. Trong văn hóa, các tế bào Symbiodinium thể hiện khả năng di động theo kiểu bơi xoắn ốc, do đó, số vòng mỗi phút (RPM) cũng được đo lường bằng kính hiển vi video. Nhóm clade A hoàn toàn sống tự do có ưu thế sinh lý so với Symbiodinium A1 trên tất cả các biến đo lường và sự kết hợp điều trị. F v/F m duy trì ổn định qua thời gian (khoảng 0.55) và không bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ hoặc sự hiện diện hay vắng mặt của trầm tích. Các quần thể Symbiodinium A hoàn toàn sống tự do sinh sản nhanh hơn khi có trầm tích so với khi không có và thể hiện mức độ di động cao trong tất cả các điều trị (vượt quá 300 RPM). Ngược lại, F v/F m của A1 giảm xuống còn 0.42 trong trầm tích (so với các văn hóa không có trầm tích) và thể hiện sự giảm mạnh về nồng độ tế bào, đặc biệt là ở 31 °C. Một sự giảm >50% về độ di động cũng được quan sát thấy ở 31 °C. Ngay cả khi không có trầm tích, nhiệt độ tăng cao cũng đã được quan sát làm giảm tăng trưởng quần thể và khả năng di động của loại A1. Chúng tôi đề nghị rằng những hành vi thiết yếu liên quan đến khả năng di động (như di cư theo chiều dọc và việc tìm kiếm các vật chủ tiềm năng) có thể bị ảnh hưởng trong các trường hợp nhiệt độ bất thường trong tương lai và rằng các quần thể Symbiodinium A1 có thể chỉ sống tạm thời trong trầm tích hoặc ngoài vật chủ san hô. Những khác biệt này về sinh lý giữa các loại Symbiodinium khác nhau có thể đại diện cho các thích nghi mà có thể được bảo tồn hoặc mất đi tùy thuộc vào các áp lực chọn lọc khác nhau đi kèm với việc sống trong mối quan hệ hợp tác hoặc tự do trong môi trường.

Từ khóa

#Symbiodinium #nhiệt độ cao #hợp tác #động vật không xương sống biển #sinh lý học #di động

Tài liệu tham khảo

Adams LM, Cumbo VR, Takabayashi M (2009) Exposure to sediment enhances primary acquisition of Symbiodinium by asymbiotic coral larvae. Mar Ecol Prog Ser 377:149–156 Baghdasarian G, Muscatine L (2000) Preferential expulsion of dividing algal cells as a mechanism for regulating algal-cnidarian symbiosis. Biol Bull (Woods Hole) 199:278–286 Baird AH, Guest JR, Willis BL (2009) Systematic and biogeographical patterns in the reproductive biology of scleractinian corals. Annu Rev Ecol Evol Syst 40:551–571 Bongaerts P, Sampayo EM, Bridge TCL, Ridgway T, Vermeulen F, Englebert N, Webster JM, Hoegh-Guldberg O (2011) Symbiodinium diversity in mesophotic coral communities on the Great Barrier Reef: a first assessment. Mar Ecol Prog Ser 439:117–126 Brown BE, Ambarsari I, Warner ME, Fitt WK, Dunne RP, Gibb SW, Cummings DG (1999) Diurnal changes in photochemical efficiency and xanthophyll concentrations in shallow water reef corals: evidence for photoinhibition and photoprotection. Coral Reefs 18:99–105 Byler KA, Carmi-Veal M, Fine M, Goulet TL (2013) Multiple symbiont acquisition strategies as an adaptive mechanism in the coral Stylophora pistillata. PLoS One 8:e59596 Carlos AA, Baillie BK, Kawachi M, Maruyama T (1999) Phylogenetic position of Symbiodinium (Dinophyceae) isolates from tridacnids (Bivalvia), cardiids (Bivalvia), a sponge (Porifera), a soft coral (Anthozoa), and a free-living strain. J Phycol 35:1054–1062 Coffroth MA, Lewis CF, Santos SR, Weaver JL (2006) Environmental populations of symbiotic dinoflagellates in the genus Symbiodinium can initiate symbioses with reef cnidarians. Curr Biol 16:R985–R987 Correa AMS, Baker AC (2009) Understanding diversity in coral-algal symbiosis: a cluster-based approach to interpreting fine-scale genetic variation in the genus Symbiodinium. Coral Reefs 28:81–93 Cumbo VR, Baird AH, van Oppen MJH (2013) The promiscuous larvae: flexibility in the establishment of symbiosis in corals. Coral Reefs 32:111–120 Falkowski PG, Dubinsky Z, Muscatine L, Porter JW (1984) Light and the bioenergetics of a symbiotic coral. Bioscience 34:705–709 Fine M, Gildor H, Genin A (2013) A coral reef refuge in the Red Sea. Global Change Biol 19:3640–3647 Fisher PL, Malme MK, Dove S (2012) The effect of temperature stress on coral-Symbiodinium associations containing distinct symbiont types. Coral Reefs 31:473–485 Fitt WK (1984) The role of chemosensory behavior of Symbiodinium microadriaticum, intermediate hosts, and host behavior in the infection of coelenterates and mollusks with zooxanthellae. Mar Biol 81:9–17 Fitt WK, Trench RK (1983) The relation of diel patterns of cell-division to diel patterns of motility in the symbiotic dinoflagellate Symbiodinium microadriaticum Freudenthal in culture. New Phytol 94:421–432 Fitt WK, Chang SS, Trench RK (1981) Motility patterns of different strains of the symbiotic dinoflagellate Symbiodinium (=Gymnodinium) microadriaticum (Freudenthal) in culture. Bull Mar Sci 31:436–443 Franklin EC, Stat M, Pochon X, Putnam HM, Gates RD (2012) GeoSymbio: a hybrid, cloud-based web application of global geospatial bioinformatics and ecoinformatics for Symbiodinium-host symbioses. Mol Ecol Resour 12:369–373 Freudenthal HD (1962) Symbiodinium gen. nov. and Symbiodinium sp. nov., a Zooxanthella: Taxonomy, Life Cycle, and Morphology.*. J Protozool 9:45–52 Guillard R (1973) Division Rates Handbook of Phycological Methods - Culture Methods and Growth Measurements. Cambridge University Press, New York, pp 298–311 Guillard RRL, Ryther JH (1962) Studies of marine planktonic diatoms. I. Cyclothella nana Hustedt, and Detonula confervacea (cleve) Gran. Can J Microbiol 229–239 Hawkins TD, Davy SK (2012) Nitric oxide production and tolerance differ among Symbiodinium types exposed to heat stress. Plant Cell Physiol 53:1889–1898 Hennige SJ, McGinley MP, Grottoli AG, Warner ME (2011) Photoinhibition of Symbiodinium spp. within the reef corals Montastraea faveolata and Porites astreoides: implications for coral bleaching. Mar Biol 158:2515–2526 Hennige SJ, Suggett DJ, Warner ME, McDougall KE, Smith DJ (2009) Photobiology of Symbiodinium revisited: bio-physical and bio-optical signatures. Coral Reefs 28:179–195 Hill R, Ralph P (2007) Post-bleaching viability of expelled zooxanthellae from the scleractinian coral Pocillopora damicornis. Mar Ecol Prog Ser 352:137–144 Hill R, Brown CM, DeZeeuw K, Campbell DA, Ralph PJ (2011) Increased rate of D1 repair in coral symbionts during bleaching is insufficient to counter accelerated photo-inactivation. Limnol Oceanogr 56:139–146 Hirose M, Reimer JD, Hidaka M, Suda S (2008) Phylogenetic analyses of potentially free-living Symbiodinium spp. isolated from coral reef sand in Okinawa. Japan. Mar Biol 155:105–112 Hoegh-Guldberg O, Jones RJ (1999) Photoinhibition and photoprotection in symbiotic dinoflagellates from reef-building corals. Mar Ecol Prog Ser 183:73–86 Ichimi K, Tada K, Montani S (2008) Simple estimation of penetration rate of light in intertidal sediments. J Oceanogr 64:399–404 Jeong HJ, Yoo YD, Kang NS, Lim AS, Seong KA, Lee SY, Lee MJ, Lee KH, Kim HS, Shin W, Nam SW, Yih W, Lee K (2012) Heterotrophic feeding as a newly identified survival strategy of the dinoflagellate Symbiodinium. Proc Natl Acad Sci U S A 109:12604–12609 Kamykowski D, McCollum SA (1986) The temperature acclimatized swimming speed of selected marine dinoflagellates. J Plankton Res 8:275–287 Krämer WE, Caamano-Ricken I, Richter C, Bischof K (2012) Dynamic regulation of photoprotection determines thermal tolerance of two phylotypes of Symbiodinium clade A at two photon fluence rates. Photochem Photobiol 88:398–413 Krueger T, Gates RD (2012) Cultivating endosymbionts - Host environmental mimics support the survival of Symbiodinium C15 ex hospite. J Exp Mar Biol Ecol 413:169–176 Kühl M, Lassen C, Jorgensen BB (1994) Light penetration and light-intensity in sandy marine-sediments measured with irradiance and scalar irradiance fiberoptic microprobes. Mar Ecol Prog Ser 105:139–148 LaJeunesse TC (2001) Investigating the biodiversity, ecology, and phylogeny of endosymbiotic dinoflagellates in the genus Symbiodinium using the ITS region: in search of a “species” level marker. J Phycol 37:866–880 LaJeunesse TC (2002) Diversity and community structure of symbiotic dinoflagellates from Caribbean coral reefs. Mar Biol 141:387–400 LaJeunesse TC, Loh W, Trench RK (2009) Do introduced endosymbiotic dinoflagellates ‘take’ to new hosts? Biol Invasions 11:995–1003 Lesser MP, Farrell JH (2004) Exposure to solar radiation increases damage to both host tissues and algal symbionts of corals during thermal stress. Coral Reefs 23:367–377 Lewis J, Harris ASD, Jones KJ, Edmonds RL (1999) Long-term survival of marine planktonic diatoms and dinoflagellates in stored sediment samples. J Plankton Res 21:343–354 Littman RA, van Oppen MJH, Willis BL (2008) Methods for sampling free-living Symbiodinium (zooxanthellae) and their distribution and abundance at Lizard Island (Great Barrier Reef). J Exp Mar Biol Ecol 364:48–53 Lundholm N, Ribeiro S, Andersen TJ, Koch T, Godhe A, Ekelund F, Ellegaard M (2011) Buried alive - germination of up to a century-old marine protist resting stages. Phycologia 50:629–640 Massaro RS, Carlo E, Drupp P, Mackenzie F, Jones S, Shamberger K, Sabine C, Feely R (2012) Multiple factors driving variability of CO2 exchange between the ocean and atmosphere in a tropical coral reef environment. Aquat Geochem 18:357–386 McGinty ES, Pieczonka J, Mydlarz LD (2012) Variations in reactive oxygen release and antioxidant activity in multiple Symbiodinium types in response to elevated temperature. Microb Ecol 64:1000–1007 McKay L, Kamykowski D, Milligan E, Schaeffer B, Sinclair G (2006) Comparison of swimming speed and photophysiological responses to different external conditions among three Karenia brevis strains. Harmful Algae 5:623–636 McMinn A, Martin A (2013) Dark survival in a warming world. Proc R Soc Biol Sci Ser B 280:20122909 Mellas RE, McIlroy SE, Fitt WK, Coffroth MA (2014) Variation in symbiont uptake in the early ontogeny of the upside-down jellyfish, Cassiopea spp. J Exp Mar Biol Ecol 459:38–44 Muscatine L (1990) The role of symbiotic algae in carbon and energy flux in reef corals. In: Dubinsky Z (ed) Ecosystems of the world: Coral reefs. Elsevier, Amsterdam, pp 75–87 Pasternak Z, Blasius B, Abelson A, Achituv Y (2006) Host-finding behaviour and navigation capabilities of symbiotic zooxanthellae. Coral Reefs 25:201–207 Paterson D, Hagerthey S (2001) Microphytobenthos in contrasting coastal ecosystems: biology and dynamics. In Reise (ed) Ecological comparisons of sedimentary shores. Springer, pp 105–125 Pochon X, Gates RD (2010) A new Symbiodinium clade (Dinophyceae) from soritid foraminifera in Hawai’i. Mol Phylogenet Evol 56:492–497 Pochon X, Stat M, Takabayashi M, Chasqui L, Chauka LJ, Logan DDK, Gates RD (2010) Comparison of endosymbiotic and free-living Symbiodinium (dinophyceae) diversity in a Hawaiian reef environment. J Phycol 46:53–65 Ragni M, Airs RL, Hennige SJ, Suggett DJ, Warner ME, Geider RJ (2010) PSII photoinhibition and photorepair in Symbiodinium (Pyrrhophyta) differs between thermally tolerant and sensitive phylotypes. Mar Ecol Prog Ser 406:57–70 Reimer JD, Shah MMR, Sinniger F, Yanagi K, Suda S (2010) Preliminary analyses of cultured Symbiodinium isolated from sand in the oceanic Ogasawara Islands, Japan. Mar Biodiv 40:237–247 Richmond RH, Hunter CL (1990) Reproduction and recruitment of corals - Comparisons among the Caribbean, the tropical Pacific, and the Red Sea. Mar Ecol Prog Ser 60:185–203 Robison JD, Warner ME (2006) Differential impacts of photoacclimation and thermal stress on the photobiology of four different phylotypes of Symbiodinium (Pyrrhophyta). J Phycol 42:568–579 Rodrigues LJ, Grottoli AG, Lesser MP (2008) Long-term changes in the chlorophyll fluorescence of bleached and recovering corals from Hawaii. J Exp Biol 211:2502–2509 Sinclair GA, Kamykowski D (2008) Benthic-pelagic coupling in sediment-associated populations of Karenia brevis. J Plankton Res 30:829–838 Sorek M, Levy O (2012) The effect of temperature compensation on the circadian rhythmicity of photosynthesis in Symbiodinium, coral-symbiotic alga. Sci Rep 2:536 Starzak DE, Quinnell RG, Nitschke MR, Davy SK (2014) The influence of symbiont type on photosynthetic carbon flux in a model cnidarian–dinoflagellate symbiosis. Mar Biol 161:711–724 Stat M, Gates RD (2008) Vectored introductions of marine endosymbiotic dinoflagellates into Hawaii. Biol Invasions 10:579–583 Takabayashi M, Adams LM, Pochon X, Gates RD (2012) Genetic diversity of free-living Symbiodinium in surface water and sediment of Hawai’i and Florida. Coral Reefs 31:157–167 Venera-Ponton DE, Diaz-Pulido G, Rodriguez-Lanetty M, Hoegh-Guldberg O (2010) Presence of Symbiodinium spp. in macroalgal microhabitats from the southern Great Barrier Reef. Coral Reefs 29:1049–1060 Yacobovitch T, Benayahu Y, Weis VM (2004) Motility of zooxanthellae isolated from the Red Sea soft coral Heteroxenia fuscescens (Cnidaria). J Exp Mar Biol Ecol 298:35–48 Yamashita H, Koike K (2013) Genetic identity of free-living Symbiodinium obtained over a broad latitudinal range in the Japanese coast. Phycol Res 61:68–80 Yang SY, Keshavmurthy S, Obura D, Sheppard CRC, Visram S, Chen CA (2012) Diversity and distribution of Symbiodinium associated with seven common coral species in the Chagos archipelago, Central Indian Ocean. PLoS One 7:1–9