Een nieuwe studie geeft een verrassende wending - je zou zelfs kunnen zeggen een dubbele spiraal - in ons begrip van hoe koraalriffen reageren op opwarming en verzuring van de oceaan. Het biedt ook de mogelijkheid van een systeem voor vroegtijdige waarschuwing voor de door warmte veroorzaakte verblekingsgebeurtenissen die wereldwijd steeds meer koraalriffen schaden.

Koraalverblekingsgebeurtenissen - wanneer stress de samenwerking verstoort die zowel koralen als de algen die normaal in hun weefsels leven, verstoort - komen nu bijna vijf keer vaker voor dan slechts vier decennia geleden. Deze gebeurtenissen hebben grote delen van anders levendige koraalrifhabitats verwoest, evenals de visserij en het toerisme die ze koesteren, daarmee een bedreiging vormend voor de $ 375 miljard die wetenschappers schatten dat gezonde riffen elk jaar bijdragen aan de wereldeconomie.

In de huidige studie, Emily Rivest van William &Mary's Virginia Institute of Marine Science en collega's gebruikten een geavanceerde genomische techniek om te testen of de opwarming en verzuring van de oceaan de koraalgastheer anders zou kunnen beïnvloeden dan zijn algenpartner. De studie, gepubliceerd in het laatste nummer van Grenzen in de mariene wetenschappen , was co-auteur van Morgan Kelly van de Louisiana State University, Melissa DeBiasse van de Universiteit van Florida, en Gretchen Hofmann van de Universiteit van Californië, Santa Barbara.

Het onderzoeksteam ging verder door een groep koraallarven en hun algensymbionten bloot te stellen aan aquariumwater dat was opgewarmd en verzuurd tot de voor het jaar 2100 verwachte omstandigheden, terwijl ze een controlegroep vasthielden onder de huidige omstandigheden van temperatuur en pH. Vervolgens vergeleken ze hoe koraal- en algencellen van deze experimentele en controlegroepen verschilden in genexpressie.

Genexpressie verwijst naar het proces waarbij een cel zijn genetische code leest door geselecteerde stukjes DNA in zijn kern te kopiëren en deze "transcripten" te gebruiken om eiwitten te maken voor celgroei en -onderhoud. In de ruimste zin, genexpressie is de reden waarom uw lever geen oogbollen krijgt of omgekeerd. Maar voor elk celtype - of het nu gaat om lever, hoornvlies, koraal, of algen-differentiële expressie van de genen van een organisme bepaalt ook meer subtiele aspecten van cellulaire structuur en functie, zoals de snelheid van metabolisme of enzymproductie.

Belangrijk voor het huidige onderzoek, veranderingen in genexpressie correleren ook met stress. De onderzoekers gebruikten deze veranderingen dus om te meten welke cellen - koraal of algen - het meest worden aangetast door te warm water of bijtende zuurgraad.

Tot verbazing van de onderzoekers ze ontdekten dat stress de genexpressie het meest merkbaar verandert in de algen. zegt Rivest, "We zagen meer verschillen in genexpressie in de symbiont dan in het koraal, wat erg interessant was, omdat ik denk dat mensen aannemen dat het koraal - aangezien het het dier is en groter is - degene is die de controle heeft en het meest waarschijnlijk zal veranderen." De onderzoekers ontdekten dat 89 genen differentieel tot expressie werden gebracht in de algencellen, terwijl slechts 17 differentieel tot uitdrukking kwamen in het koraal.

Een technische doorbraak

Eerdere studies naar koraalverbleking werden gehinderd door de technische problemen om te bepalen of de genetische fragmenten die werden gebruikt om veranderingen in genexpressie te meten, afkomstig waren van het koraaldier of zijn algensymbiont. Het team van Rivest overwon deze uitdaging door hun waargenomen fragmenten te vergelijken met die in genetische bibliotheken die recentelijk voor elke groep organismen zijn ontwikkeld.

"We kunnen deze nieuwe bio-informaticabronnen gebruiken om te zeggen 'OK, vind de match, '" zegt Rivest. "Dat is echt spannend, speciaal voor koralen, wat lastige dieren zijn om mee te werken in termen van het genereren van sequentiegegevens. Tot voor kort, we hadden gewoon niet genoeg genetische bibliotheken om dit soort werk efficiënt te doen."

Eerdere studies waren ook vooral gericht op volwassen koralen. Door in plaats daarvan naar larven en hun algenpartners te kijken, Het team van Rivest hielp een belangrijke en kwetsbare fase in de levenscyclus van een koraal te verlichten.

"Onze resultaten, " zegt Rivest, "Laat zien dat algen een belangrijkere rol spelen dan we eerder dachten - zelfs tijdens deze zeer vroege en kritieke levensgeschiedenisfase. Als je geen succes hebt in het larvale stadium, heb je geen nieuwe volwassen koralen op het rif. In termen van riffen die in de toekomst blijven bestaan, het succes van deze vroege fase is de sleutel."

Een vroege waarschuwing?

De verrassende ontdekking van het team heeft belangrijke implicaties voor het begrijpen, toezicht houden, en het beschermen van koraalriffen die worden bedreigd door verbleking.

"Als we op zoek zijn naar bleken, we meten vaak de kleur van het koraal, die het aantal symbionten weerspiegelt dat er is, ", zegt Rivest. De algensymbionten bevatten fotosynthetische pigmenten die de anders bijna transparante koraalweefsels hun kleur geven. Wanneer koralen gestrest zijn en hun algen verliezen, wat zichtbaar wordt is hun onderliggende, typisch witachtig skelet, waardoor ze een gebleekte look krijgen.

"Maar, " zegt Rivest, "onze studie suggereert dat zelfs als je geen gebleekt koraal hebt, de relatie tussen de symbiont en het koraal kan heel anders zijn. Het is dus belangrijk om verder te kijken dan alleen hoeveel symbionten er zijn - we moeten echt begrijpen hoe deze relatie verandert, en ruim voordat de symbionten vertrekken."

"Als we konden anticiperen wanneer bleken zal optreden, " ze zegt, "we zouden misschien kunnen proberen deze riffen te redden - ze in de schaduw stellen, transplanteer geselecteerde koralen - wat ook zou kunnen werken om te voorkomen dat deze massale gebeurtenissen plaatsvinden. We moeten dus weten wat de waarschuwingssignalen zijn. Als je een bepaalde genexpressie-signatuur zou kunnen identificeren, of een verhoogde activiteit of een bepaald eiwit, dan weet je wat je efficiënt moet meten en zoeken."

Rivest erkent dat de enige echt realistische manier om koraalverbleking tegen te gaan, is om de menselijke activiteiten die tot opwarming van de oceaan leiden, te beperken. Maar ze denkt dat een systeem voor vroegtijdige waarschuwing ook een rol kan spelen bij de reactie van de samenleving.

"De beste oplossing voor koraalverbleking is om de opwarmingstrend van de oceaan aan te pakken, " zegt ze. "Een systeem voor vroegtijdige waarschuwing kan deze gebeurtenissen niet voorkomen, maar het zou ons kunnen helpen de verliezen te beperken en koraalriffen te helpen in de een of andere vorm in de toekomst te blijven bestaan."