Le site d’étude à Puerto Morelos, au Mexique (mer des Caraïbes), où les chercheurs ont collecté des radians de Siderastrea. Crédit : Sergio Guendulain-García
Les chercheurs mettent en évidence les contributions des bactéries et des algues symbiotiques à la tolérance à la chaleur des coraux et identifient les gènes impliqués dans la réponse au stress.
Les microbiomes des coraux – qui comprennent des bactéries, des champignons et des virus – jouent un rôle important dans la capacité des coraux à tolérer la hausse des températures océaniques, selon une nouvelle recherche menée par Penn State. L’équipe a également identifié plusieurs gènes au sein de certains coraux et des algues photosynthétiques symbiotiques qui vivent à l’intérieur de leurs tissus et qui pourraient jouer un rôle dans leur réponse au stress thermique. Les résultats pourraient éclairer les efforts actuels de conservation des récifs coralliens, par exemple, en mettant en évidence les avantages potentiels de la modification des récifs coralliens avec des microbes trouvés pour renforcer les réponses des coraux au stress thermique.
“Une exposition prolongée à la chaleur peut provoquer un” blanchiment “dans lequel les photosymbiotes (algues symbiotiques) sont largués de l’animal corallien, provoquant la mort de l’animal”, a déclaré Monica Medina, professeur de biologie à Penn State. « Nous avons découvert que lorsque certains coraux subissent un stress thermique, leurs microbiomes peuvent les protéger du blanchissement. De plus, nous pouvons maintenant identifier des gènes spécifiques chez les animaux coralliens et leurs photosymbiotes qui pourraient être impliqués dans cette réponse au stress thermique. »
Orbicella faveolata, Puerto Morelos, Mexique (mer des Caraïbes). Crédit : Monica Medina, État de Pennsylvanie
Viridiana Avila-Magaña, ancienne étudiante à Penn State et actuellement chercheuse postdoctorale à l’Université du Colorado à Boulder, a noté : savons maintenant que l’holobionte entier – l’animal corallien, le photosymbionte et le microbiome – est impliqué dans la réponse au stress.
Dans leur étude, publiée aujourd’hui (30 septembre 2021) dans Communication Nature, les chercheurs se sont concentrés sur trois espèces de corail – le corail étoilé des montagnes (Orbicella faveolata), le corail cérébral noueux (Pseudodiploria clivosa) et le corail starlette des eaux peu profondes (Siderastrea radians) – qui sont connus pour différer par leur sensibilité au stress thermique. Recueilli près de Puerto Morelos, au Mexique, chaque espèce de corail abrite un ensemble unique de photosymbiontes et de microbiomes. L’objectif de l’équipe était d’étudier les différentes contributions métaboliques de chacun des membres holobiontes à la tolérance globale au stress des coraux et d’identifier les différences dans les modèles d’expression des gènes liés à ces activités métaboliques.
Siderastrea radians, Puerto Morelos, Mexique (mer des Caraïbes). Crédit : Monica Medina, État de Pennsylvanie
Medina a expliqué que le métabolisme est le processus de conversion des aliments en énergie. Pour les coraux, a-t-elle déclaré, ce processus est fortement stimulé par les photosymbiotes, qui, grâce à la photosynthèse, fournissent aux animaux coralliens au moins 90 % de leurs besoins énergétiques. Mais, jusqu’à présent, les contributions des microbiomes n’étaient pas bien comprises.
“Nous savons que le stress thermique résultant du changement climatique peut perturber le métabolisme des coraux et entraîner le blanchissement”, a déclaré Medina. “Par conséquent, il est important de comprendre les différentes contributions des membres holobiontes et comment ces activités métaboliques changent en réponse au stress thermique.”
Les chercheurs ont effectué une expérience de stress thermique contrôlée dans laquelle ils ont maintenu les trois espèces de coraux dans un réservoir pendant neuf jours à 93˚F (34˚C), ce qui est 11 degrés (6˚C) de plus que la température moyenne normalement rencontrée par ces coraux. Les scientifiques ont séquencé le ARN des holobiontes coralliens – y compris les animaux coralliens, les photosymbiontes et les membres des microbiomes – après la période de neuf jours et un groupe témoin non exposé au stress thermique, dans le but de détecter les changements dans l’expression des gènes qui affectent la chaleur. réponse au stress de l’holobionte. Plus précisément, ils ont utilisé les données d’expression génique pour estimer les activités métaboliques de chacun des membres de l’holobionte.
Ensuite, l’équipe a utilisé un type de technique d’ANOVA phylogénétique, appelée Expression Variance and Evolution Model, pour examiner les changements dans l’expression des gènes liés au stress thermique qui se sont produits au cours de l’évolution.
« En collaboration avec le professeur Rori Rohlfs de l’Université d’État de San Francisco, qui est co-auteur de cette étude, nous avons développé une méthode basée sur une ANOVA phylogénétique qui nous a permis de suivre les gènes dont l’expression a déjà divergé entre les espèces en réponse à un stimuli donné. – dans notre cas, le stress thermique », a déclaré Viridiana Avila-Magaña. « Cette approche devient particulièrement pertinente pour la recherche sur les récifs coralliens étant donné les récents débats sur le potentiel adaptatif de différents holobiontes coralliens face aux menaces du changement climatique. Avec cette approche à l’esprit, nous avons pu comprendre pourquoi différents coraux ont des réponses physiologiques uniques au stress thermique et comment l’évolution de l’expression des gènes a façonné leurs différentes susceptibilités.
Avila-Magaña a expliqué que les coraux ont connu des épisodes de températures élevées au cours de l’évolution et comprendre comment l’expression des gènes a évolué en réponse à ces événements peut informer les réponses des coraux aux événements de réchauffement actuels et futurs.
“Notre objectif avec cette recherche était de déterminer s’il y avait eu des innovations spécifiques à la lignée pour le stress thermique chez les coraux et leurs photosymbiontes d’algues, ainsi que si tous les membres, y compris les communautés bactériennes, contribuent différemment à la robustesse des holobiontes”, a-t-elle déclaré.
Les données d’expression génique ont révélé que les trois holobiontes coralliens différaient en effet dans leurs réponses et leurs capacités métaboliques sous un stress à haute température. L’équipe a également découvert que les membres de chaque holobionte avaient des réponses uniques qui influençaient la capacité globale de l’holobionte à faire face au stress thermique.
“Nous avons découvert plus de gènes associés à une réponse au stress thermique chez les holobiontes coralliens que les études précédentes, et nous montrons également que des changements dans l’expression de ces gènes sont survenus au cours de l’évolution”, a déclaré Medina.
Fait intéressant, les scientifiques ont conclu que la plus grande tolérance thermique observée chez certains holobiontes coralliens, tels que le corail starlette, peut être due, en partie, à un nombre et à une diversité plus élevés de microbes thermiquement tolérants dans leurs microbiomes, ce qui fournit une redondance dans les voies métaboliques clés. qui protègent du stress thermique.
“Nous avons découvert que certains coraux abritent un microbiome stable et diversifié se traduisant par une vaste gamme de capacités métaboliques qui, selon nous, restent actives pendant le défi thermique”, a déclaré Avila-Magaña. « En revanche, nous avons constaté que les espèces moins tolérantes thermiquement avaient une activité et une diversité bactériennes réduites. »
Medina a noté que les résultats soulignent l’importance des approches comparatives à travers un large éventail d’espèces pour mieux comprendre les diverses réponses des coraux à l’augmentation des températures de surface de la mer.
Medina et Avila-Magaña ont déclaré : « Les coraux ont été fortement touchés par le changement climatique, et les méthodes que nous avons développées dans notre étude représentent un excellent outil pour les scientifiques qui tentent de comprendre le potentiel d’adaptation des populations et des espèces.
Référence : « Elucidating gene expression adaptation of phylogenetically divergent coral holobionts under heat stress » par Viridiana Avila-Magaña, Bishoy Kamel, Michael DeSalvo, Kelly Gómez-Campo, Susana Enríquez, Hiroaki Kitano, Rori V. Rohlfs, Roberto Iglesias-Prieto et Mónica Médine, le 30 septembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-25950-4
D’autres auteurs sur le papier incluent Susana Enríquez, professeur, Universidad Nacional Autónoma de México ; Bishoy Kamel, professeur adjoint de recherche en biologie, Université du Nouveau-Mexique et Joint Genome Institute, Michael DeSalvo, Université de Californie Merced ; Roberto Iglesias-Prieto, professeur de biologie, Penn State ; Kelly Gómez-Campo, étudiante diplômée en biologie, Penn State ; Hiroaki Kitano, professeur, Systems Biology Institute Japan ; et Rori Rohlfs, professeur adjoint de biologie, Université d’État de San Francisco.
La National Science Foundation et le Joint Genome Institute (Department of Energy) ont soutenu cette recherche.
