The influence of photoacclimation on the microscale oxygen environment and microbial niches in the coral Galaxea fascicularis

Korallenriffe werden oft als die Regenwälder der Meere beschrieben, die vor Leben strotzen, das auf einer empfindlichen Partnerschaft beruht. Das Herzstück dieser Partnerschaft ist das Korallenanimal selbst, das winzige, einzellige Algen in seinem Gewebe beherbergt. Diese Algen fungieren als solarbetriebene Fabriken zur Nahrungsproduktion, die Sonnenlicht nutzen, um Energie zu erzeugen, die die Koralle ernährt. Im Gegenzug bietet die Koralle den Algen ein sicheres Zuhause und die Nährstoffe, die sie zum Wachsen benötigen. Diese Beziehung ist so effizient, dass sie es massiven Riffen ermöglicht, in Gewässern zu gedeihen, die ansonsten zu arm an Nährstoffen wären, um solch lebendige Ökosysteme zu unterstützen. Diese Partnerschaft ist jedoch empfindlich. Die Menge des die Koralle erreichenden Lichts ändert sich mit der Tiefe, der Tageszeit und der Wasserklarheit, was die Koralle und ihre Algen dazu zwingt, ihre Physiologie ständig anzupassen, um zu überleben. Während Wissenschaftler schon lange wissen, dass Licht dieses System antreibt, stammt vieles von dem, was wir darüber wissen, wie Korallen auf diese Veränderungen reagieren, aus der Betrachtung der gesamten Kolonie als eine einzige Einheit, anstatt die winzigen, unterschiedlichen Räume innerhalb des Korallenanimalen zu untersuchen, in denen verschiedene Prozesse ablaufen.

Im Inneren eines Korallenpolypen ist der Körper kein einfaches Säckchen voller Zellen, sondern eine komplexe Struktur mit verschiedenen Kompartimenten. Eines der wichtigsten dieser Kompartimente ist die Gastrovaskularhöhle, eine zentrale Kammer, die funktional einem Magen ähnelt, in der die Koralle Nahrung verdaut und Nährstoffe recycelt. Dieser Raum ist halb umschlossen, was bedeutet, dass sich das Wasser in ihm nicht frei mit dem Ozean außerhalb vermischt. Da die in den Geweben der Koralle lebenden Algen Sauerstoff abpumpen, wenn die Sonne scheint, kann das Wasser in dieser Höhle während des Tages extrem reich an Sauerstoff werden, während der Sauerstoff in der Nacht, wenn die Algen aufhören zu arbeiten, vollständig verschwinden kann. Dies schafft ein sich verschiebendes, mikroskaliges Umfeld, das sich sehr von den stabilen Bedingungen des offenen Ozeans unterscheidet. Wissenschaftler vermuten, dass diese winzigen, schwankenden Bedingungen als Filter wirken, der entscheidet, welche mikroskopischen Bakterien im Inneren der Koralle leben können und welche nicht. Es blieb jedoch unklar, wie langfristige Veränderungen des Lichts, wie etwa die, die eine Koralle erleben könnte, wenn sie in eine andere Tiefe wandert, diese innere Welt und die Gemeinschaft der Mikroben, die dort zu Hause sind, umgestalten.

Um dies zu untersuchen, wandten sich Forscher an eine spezifische Art von Koralle, bekannt als Galaxea fascicularis, die über große, leicht zu untersuchende Polypen verfügt. Sie nahmen eine einzelne Korallenkolonie und brachen sie in einzelne Polypen auf, die sie in einer kontrollierten Aquariumumgebung platzierten. Diese Polypen wurden dann in zwei Gruppen aufgeteilt und zweiundzwanzig Wochen lang unterschiedlichen Lichtbedingungen ausgesetzt. Eine Gruppe lebte unter schwachem Licht, was den dunkleren Bedingungen in tieferem Wasser nachempfunden war, während die andere Gruppe unter hellem Licht lebte, ähnlich dem intensiven Sonnenlicht in der Nähe der Oberfläche. Das Ziel war zu sehen, wie diese langfristigen Anpassungen die Sauerstoffwerte innerhalb des Körpers der Koralle und die Arten der dort lebenden Bakterien beeinflussten. Die Forscher verwendeten winzige Sensoren, die nicht dicker als ein menschliches Haar waren, um den Sauerstoffgehalt direkt in der zentralen Höhle der Koralle und an ihrer Außenoberfläche zu messen. Sie sammelten auch winzige Proben der Flüssigkeit aus der inneren Höhle und des Schleims von der Oberfläche, um die genetische Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaften zu analysieren, die in diesen spezifischen Stellen leben.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Korallenpolypen erfolgreich an ihre Lichtumgebungen angepasst wurden, aber die internen Folgen komplexer waren als erwartet. Die Polypen in der Gruppe mit wenig Licht entwickelten eine dunklere Färbung und wurden effizienter im Umgang mit dem begrenzten Licht, das sie erhielten, während die Gruppe mit hellem Licht insgesamt mehr Energie produzierte. Als die Forscher den Sauerstoff in der zentralen Höhle der Koralle maßen, fanden sie heraus, dass die Lichtbedingungen zwei sehr unterschiedliche Welten schufen. In den Polypen mit hellem Licht schwankten die Sauerstoffwerte in der Höhle wild, von normalen Werten bis hin zu extremer Übersättigung während des Tages. Im Gegensatz dazu erfuhren die Polypen mit wenig Licht viel stabilere und oft niedrigere Sauerstoffwerte. Vielleicht am überraschendsten war für die Forscher, dass die Sauerstoffbedingungen in der Höhle nicht für jeden einzelnen Polypen gleich waren, selbst innerhalb derselben Gruppe. Einige Polypen mit hellem Licht zeigten enorme Sauerstoffschwankungen, während andere stabiler waren, was darauf hindeutet, dass selbst genetisch identische Korallen einzigartige interne Umgebungen entwickeln können, basierend auf ihrer individuellen Physiologie.

Die Studie deckte auch auf, wie diese wechselnden Sauerstoffwerte das mikroskopische Leben beeinflussten, das in der Koralle lebt. Sowohl im Schleim an der Oberfläche als auch in der Flüssigkeit innerhalb der Höhle war eine spezifische Art von Bakterium namens Endozoicomonas überwältigend dominant und machte den Großteil der Gemeinschaft aus. Dieses Bakterium ist als wichtiger Bewohner gesunder Korallen bekannt und bildet oft Cluster innerhalb des Korallengewebes. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass die Menge dieses Bakteriums in der Flüssigkeit innerhalb der zentralen Höhle je nach Licht variierte. In den Polypen mit wenig Licht blieb Endozoicomonas der klare Anführer und dominierte die Flüssigkeit fast vollständig. In den Polypen mit hellem Licht sank der Anteil dieses Bakteriums, obwohl es weiterhin präsent war, was Platz für eine größere Vielfalt anderer Bakterientypen schuf. Dies deutet darauf hin, dass die intensive, schwankende Sauerstoffumgebung, die durch helles Licht entsteht, es für Endozoicomonas schwieriger machen könnte, seine Dominanz in der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten, wodurch andere Bakterien die Möglichkeit erhalten, einzudringen.

Trotz dieser Verschiebungen im Machtgefüge zwischen den verschiedenen Bakterien änderte sich die allgemeine Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft nicht drastisch zwischen den beiden Lichtgruppen. Die Gemeinschaft blieb bemerkenswert stabil, wobei Endozoicomonas in den meisten Proben der Hauptakteur blieb. Diese Stabilität zeigt, dass das interne Mikrobiom der Koralle resilient ist und in der Lage ist, signifikanten Veränderungen in ihrer physischen Umgebung standzuhalten, ohne in einen völlig anderen Zustand zu kollabieren. Dass jedoch die relative Häufigkeit des dominanten Bakteriums schwankte, deutet darauf hin, dass die Koralle nicht nur ein passiver Behälter für diese Mikroben ist. Stattdessen formt die Fähigkeit der Koralle, ihre interne Chemie als Reaktion auf das Licht anzupassen, aktiv, welche Mikroben gedeihen. Die Studie unterstreicht, dass die internen Kompartimente der Koralle dynamische Räume sind, in denen Licht, Sauerstoff und Mikroben auf komplexe Weise interagieren. Indem sie sich auf diese winzigen, spezifischen Umgebungen konzentrieren, statt auf die Koralle als Ganzes, beginnen Wissenschaftler zu verstehen, wie der Holobiont – die Koralle und alles mit ihr assoziierte Leben – als koordinierte Einheit funktioniert und seine interne Landschaft anpassend gestaltet, um in den wechselnden Bedingungen des Riffs zu überleben.