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

Koraalriffen worden vaak omschreven als de regenwouden van de zee, bruisend van het leven dat afhankelijk is van een delicate samenwerking. In het hart van deze samenwerking staat het koraaldier zelf, dat minuscule, eencellige algen in zijn weefsels huisvest. Deze algen fungeren als door zonlicht aangedreven voedselfabrieken, die zonlicht gebruiken om energie te creëren die het koraal voedt. In ruil daarvoor biedt het koraal de algen een veilige woning en de voedingsstoffen die ze nodig hebben om te groeien. Deze relatie is zo efficiënt dat het massieve riffen in staat stelt te gedijen in wateren die anders te arm aan voedingsstoffen zouden zijn om dergelijke levendige ecosystemen te ondersteunen. Deze samenwerking is echter gevoelig. De hoeveelheid licht die het koraal bereikt, verandert met de diepte, het tijdstip van de dag en de helderheid van het water, waardoor het koraal en zijn algen hun fysiologie voortdurend moeten aanpassen om te overleven. Hoewel wetenschappers al lang weten dat licht dit systeem aanstuurt, komt veel van wat we begrijpen over hoe koralen op deze veranderingen reageren uit het bekijken van de hele kolonie als een enkele eenheid, in plaats van het onderzoeken van de kleine, afzonderlijke kamers binnen het koraaldier waar verschillende processen plaatsvinden.

Binnen een koraalpoliep is het lichaam geen eenvoudige zak met cellen, maar een complexe structuur met verschillende compartimenten. Een van de belangrijkste hiervan is de gastrovasculaire holte, een centrale kamer die enigszend functioneert als een maag, waar het koraal voedsel verteert en voedingsstoffen recycleert. Deze ruimte is semi-gesloten, wat betekent dat het water binnenin zich niet vrij mengt met de oceaan buiten. Omdat de algen die in het weefsel van het koraal leven zuurstof uitstoten wanneer de zon schijnt, kan het water in deze holte overdag extreem rijk aan zuurstof worden, terwijl de zuurstof 's nachts, wanneer de algen stoppen met werken, volledig kan verdwijnen. Dit creëert een verschuivend, microscopisch milieu dat heel anders is dan de stabiele omstandigheden van de open oceaan. Wetenschappers vermoeden dat deze kleine, fluctuerende omstandigheden fungeren als een filter, die bepaalt welke microscopische bacteriën wel en welke niet in het koraal kunnen leven. Het is echter onduidelijk geworden hoe langetermijnveranderingen in licht, zoals die een koraal kan ervaren bij het verplaatsen naar een andere diepte, deze interne wereld en de gemeenschap van microben die er een thuis noemen, hervormen.

Om dit te onderzoeken, richtten onderzoekers zich op een specifiek type koraal bekend als Galaxea fascicularis, dat grote, gemakkelijk te bestuderen poliepen heeft. Ze namen een enkele koraalkolonie en braken deze op in individuele poliepen, die ze in een gecontroleerde aquariumsetting plaatsten. Deze poliepen werden vervolgens in twee groepen verdeeld en blootgesteld aan verschillende lichtomstandigheden gedurende twintig weken. Eén groep leefde onder zwak licht, wat de minder heldere omstandigheden dieper in het water simuleert, terwijl de andere groep onder fel licht leefde, vergelijkbaar met de intense zon nabij het oppervlak. Het doel was om te zien hoe deze langetermijninstellingen de zuurstofniveaus binnen het lichaam van het koraal en de soorten bacteriën die daar leven, beïnvloedden. De onderzoekers gebruikten minuscule sensoren, niet dikker dan een menselijk haar, om zuurstofniveaus direct in de centrale holte van het koraal en op het buitenste oppervlak te meten. Ze verzamelden ook kleine monsters van de vloeistof uit de centrale holte en het slijm van het oppervlak om de genetische samenstelling van de bacteriële gemeenschappen die in die specifieke plekken leven, te analyseren.

De resultaten toonden aan dat de koraalpoliepen succesvol hun lichtomgevingen aanpasten, maar dat de interne gevolgen complexer waren dan verwacht. De poliepen in de groep met weinig licht ontwikkelden een donkerdere kleur en werden efficiënter in het gebruiken van het beperkte licht dat ze ontvingen, terwijl de groep met veel licht meer energie produceerde in totaal. Wanneer de onderzoekers de zuurstof binnen de centrale holte van het koraal maten, ontdekten ze dat de lichtomstandigheden twee zeer verschillende werelden creëerden. In de poliepen met veel licht fluctueerden de zuurstofniveaus in de holte wild, variërend van normale niveaus tot extreme verzadiging tijdens de dag. In contrast hiermee ervoeren de poliepen met weinig licht veel stabielere, en vaak lagere, zuurstofniveaus. Misschien nog verrassender was dat de onderzoekers ontdekten dat de zuurstofomstandigheden in de holte niet voor elke enkele poliep hetzelfde waren, zelfs niet binnen dezelfde groep. Sommige poliepen met veel licht vertoonden enorme schommelingen in zuurstof, terwijl anderen stabieler waren, wat suggereert dat zelfs genetisch identieke koralen een uniek intern milieu kunnen ontwikkelen op basis van hun individuele fysiologie.

De studie bracht ook aan het licht hoe deze veranderende zuurstofniveaus het microscopische leven dat binnen het koraal leeft, beïnvloedden. In zowel het slijm op het oppervlak als de vloeistof in de centrale holte was een specifiek type bacterie, Endozoicomonas, overweldigend dominant, wat de overgrote meerderheid van de gemeenschap vormde. Deze bacterie staat bekend als een belangrijke bewoner van gezond koraal en vormt vaak clusters binnen de weefsels van het koraal. De onderzoekers ontdekten echter dat de hoeveelheid van deze bacterie in de vloeistof in de centrale holte veranderde afhankelijk van het licht. In de poliepen met weinig licht bleef Endozoicomonas de duidelijke leider en domineerde de vloeistof bijna volledig. In de poliepen met veel licht was de bacterie nog steeds aanwezig, maar daalde het aandeel in de gemeenschap aanzienlijk, waardoor er ruimte kwam voor een bredere variëteit aan andere bacterietypen. Dit suggereert dat de intense, fluctuerende zuurstofomgeving die door veel licht wordt gecreëerd, het voor Endozoicomonas moeilijker kan maken om zijn dominantie in de vloeistof te behouden, waardoor andere bacteriën kunnen binnendringen.

Ondanks deze verschuivingen in de machtsbalans tussen verschillende bacteriën, veranderde de algehele diversiteit van de microbiële gemeenschap niet drastisch tussen de twee lichtgroepen. De gemeenschap bleef opmerkelijk stabiel, waarbij Endozoicomonas in de meeste monsters de belangrijkste speler bleef. Deze stabiliteit geeft aan dat het interne microbioom van het koraal veerkrachtig is en in staat is om aanzienlijke veranderingen in zijn fysieke omgeving te weerstaan zonder in een volledig andere staat te vervallen. Het feit dat de relatieve abundantie van de dominante bacterie echter wel verschoof, suggereert dat het koraal niet slechts een passieve container voor deze microben is. In plaats daarvan vormt het vermogen van het koraal om zijn interne chemie aan te passen aan het licht actief welke microben gedijen. De studie benadrukt dat de interne compartimenten van het koraal dynamische ruimtes zijn waar licht, zuurstof en microben op complexe manieren met elkaar interageren. Door zich te richten op deze kleine, specifieke omgevingen in plaats van op het koraal als geheel, beginnen wetenschappers te begrijpen hoe de holobiont — het koraal en al het daarmee geassocieerde leven — als een gecoördineerde eenheid functioneert en zijn interne landschap aanpast om te overleven onder de veranderende omstandigheden van het rif.