Die Entdeckung der Korallen-Algen-Symbiose könnte Korallenriffen helfen, sich nach Bleichereignissen zu erholen

Korallen sind Schlüsselarten für Riff- und Meeresökosysteme, aber die Korallenbleiche aufgrund des Klimawandels und der Erwärmung der Ozeane tötet sie. Eine neue Open-Access-Studie von Forschern der University of California, Riverside, soll Aufschluss darüber geben, wie der Schaden rückgängig gemacht und Korallen gerettet werden können.

Korallen gehören zusammen mit Seeanemonen und Quallen zu einer Gruppe von Tieren namens Nesseltiere, die einen Teil ihrer Nährstoffe durch eine symbiotische Beziehung mit photosynthetischen Algen erhalten, die in ihren Zellen leben. Hohe Meerestemperaturen verursachen einen Zusammenbruch der Symbiose, was zu einer „gebleichten“ Koralle führt, die die Algen ausgestoßen hat. Kommt es nicht innerhalb weniger Wochen zu einer Symbiose, verhungert die Koralle.

Die neue Studie stellt fest, dass die Photosynthese von Algen zwar ein Schlüsselelement der symbiotischen Beziehung ist, aber nicht erforderlich ist, um eine Symbiose zu initiieren. Die Entdeckung trägt zu der wenig verstandenen Beziehung zwischen Nesseltieren und Algen auf molekularer Ebene bei und bietet Einblicke, wie die symbiotische Beziehung zwischen den beiden Organismen nach einem Bleichereignis in Gang gebracht werden kann. Es könnte auch zu Strategien führen, die wärmere Ozeane daran hindern könnten, die symbiotische Beziehung zwischen den beiden Organismen zu brechen und die Überreste der Korallen der Welt zu retten.

Nesseltiere bilden eine wechselseitige Symbiose mit photosynthetischen Algen aus der Familie der Dinoflagellaten Symbiodiniaceae, die in ihren Wirtszellen leben. Die Algen führen Photosynthese durch, fixieren Kohlendioxid in Zucker und geben das dann an ihre Wirte weiter. Einige Korallenarten sind vollständig abhängig von der Nahrung, die sie von ihren Algensymbionten erhalten, und werden ohne sie sterben.

Im Gegenzug erhalten die Algen Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor aus der Beute, die der Wirt fängt. Die Photosynthese ist ein Schlüsselelement dieser symbiotischen Beziehung, aber es war nicht bekannt, ob sich diese Symbiose ohne Photosynthese bilden könnte.

Robert Jinkerson, Assistenzprofessor für Chemie- und Umweltingenieurwesen an der UCR, und Tingting Xiang, Assistenzprofessor für Biowissenschaften an der University of North Carolina in Charlotte, leiteten ein Team, um die ersten Mutanten in Symbiodiniaceae-Algen herzustellen – Mutanten, denen das fehlte Fähigkeit zur Photosynthese – und verwenden Sie diese Mutanten, um die Symbiose mit Nesseltieren zu untersuchen

„Wir waren sehr aufgeregt, in der Lage zu sein, sechs photosynthetische Mutanten zu erzeugen und diese Mutanten dann zu verwenden, um damit zu beginnen, die Symbiose zwischen diesen Algen und ihren Wirten zu untersuchen“, sagte Jinkerson.

Das Team führte die mutierten Algen in Meerwassertanks ein, die Seeanemonen (Exaiptasia pallida) enthielten, die noch keine Symbiose mit Algen eingegangen waren. Bereits nach einem Tag waren die Algen auch ohne Photosynthese in den Tentakeln der Seeanemone zu finden.

Um herauszufinden, ob die Algen im Wirtsgewebe der Seeanemone ohne Photosynthese längere Zeit überleben könnten, infizierten die Forscher einige Seeanemonen im Dunkeln mit mutierten und nicht-mutierten Algen und hielten sie sechs Monate lang im Dunkeln. Auch nach sechs Monaten waren noch Algenzellen im Gewebe der Seeanemone zu beobachten. Obwohl die Algen in der Lage waren, die Wirtszellen zu infizieren und sich sechs Monate lang zu erhalten, reproduzierten oder vermehrten sie sich nicht.

Die Gruppe testete auch vier andere Algenarten, von denen bekannt ist, dass sie symbiotische Beziehungen mit den Seeanemonen eingehen, und stellte fest, dass auch sie im Dunkeln eine Symbiose initiieren konnten.

Jinkerson, Xiang und ihr Kollege Masayuki Hatta in Japan brachten die Algen dann im Dunkeln in ein Becken mit jugendlichen Polypen einer Steinkoralle, Acropora tenuis. Die Algen infizierten die Koralle erfolgreich im Dunkeln. Unerwarteterweise konnten sich die Algen im Korallengewebe ohne Photosynthese vermehren, was bei den Seeanemonen nicht beobachtet wurde.

Um schließlich herauszufinden, ob das Muster für das dritte Mitglied der Nesseltiergruppe zutrifft, fügten die Forscher die Algen einem abgedunkelten Becken mit umgedrehten Quallenpolypen (Cassiopea xamachana) hinzu. Wieder einmal infizierten die Algen die Polypen, wenn auch nicht so erfolgreich wie bei der Seeanemone und der Koralle.

Die Etablierung einer Symbiose kann ohne Photosynthese in Korallen-, Quallen- und Seeanemonenwirten ablaufen, aber verschiedene Aspekte der Beziehung, wie die Proliferation der Algen ohne Photosynthese, hängen von der spezifischen Wirt-Algen-Beziehung ab.

„Unsere Studie unterstreicht die Leistungsfähigkeit vorwärtsgerichteter genetischer Ansätze zur Untersuchung der Nesseltiersymbiodiniaceae-Symbiose und bietet eine vielversprechende Plattform, um Schlüsselfragen zur Symbiose zu beantworten und letztendlich Strategien zur Rettung von Korallen zu entwickeln“, sagte Xiang.

Die Entdeckung, dass die Photosynthese nicht unbedingt erforderlich ist, um symbiotische Beziehungen zu beginnen, ist ein Schritt auf dem Weg, Wege zu finden, Nesseltieren dabei zu helfen, den Klimawandel zu überleben.

„Beim Schutz der Korallenriffe ist die Zeit von entscheidender Bedeutung, und wir hoffen, dass diese Mutanten es uns und anderen ermöglichen, das Gesamttempo in Richtung dieses Ziels zu erhöhen“, sagte Co-Autor Joseph Russo, ein Doktorand in Jinkersons Labor.

Jinkerson, Xiang, Hatta und Russo wurden von Casandra R. Newkirk, Andrea L. Kirk, Richard J. Chi, Mark Q. Martindale und Arthur R. Grossman an der Forschung beteiligt. Das Open-Access-Papier ist verfügbar in Aktuelle Biologie.