Aufzeichnung r?umlicher Muster des Sauerstoffverbrauchs in einzelnen Korallen

Beurteilung des Gesundheiststatus von Korallen in einem sich ver?ndernden Klima mit VisiSens?

Das Kalkskelett der Korallen erschwert die Durchführung biologischer Messungen. Das VisiSens? Bildgebungssystem wurde verwendet, um Sauerstoffverbrauchsmuster in einzelnen Korallen unmittelbar nach der Ansiedlung und dem Beginn der Kalkeinlagerung zu messen. Darüber hinaus wurde der Sauerstoffverbrauch in Korallen untersucht, die entweder normalem oder niedrigem pH, der der zukünftigen Meeresversauerung entspricht, ausgesetzt waren. Bereits nach zwei Minuten Dunkelatmung konnte mit VisiSens? ein Sauerstoffgradient über den Querschnitt der Korallenlarve nachgewiesen werden. Bei niedrigem pH-Wert stieg der Sauerstoffverbrauch der Korallen im Vergleich zu Messungen in normalem Meerwasser. Das VisiSens? System bot eine hervorragende r?umliche Aufl?sung und erm?glichte die simultane Sauerstoffkartierung in allen Gewebebereichen der Korallen.

Als ?kosystemingenieure schaffen riffbildende Korallen den strukturellen Rahmen für Korallenriffen. Der Zusammenhang zwischen hohen Kalkeinlagerungen in den Korallen, die diese ?kosysteme aufbauen, und dem Vorhandensein von photosynthetischen Endosymbionten in der Gattung Symbiodinium ist seit über einem halben Jahrhundert bekannt. Es ist auch bekannt, dass die Sauerstoffproduktion der Symbionten reaktive Sauerstoffspezies hervorbringen kann, die die Korallenbleiche vorantreiben, was eine rapide Massensterblichkeit der Korallen verursachen kann und ein ernstes Problem an Korallenriffen in der heutigen Zeit darstellt. Darüber hinaus ver?ndert erh?htes CO₂ in der Atmosph?re, das von den Oberfl?chenozeanen aufgenommen wird, die Meerwasserchemie, was zu einer Abnahme des pH-Werts, oder Meeresversauerung, führt und die verminderte Kalkeinlagerung der Korallen vorantreibt. Wir verwenden zur Zeit konfokale Mikroskopie und MikroCT zur Abbildung von Korallen, um Interaktionsmuster der Symbionten, des Korallengewebes, des Metabolismus und der Kalkeinlagerung zu verstehen. Derzeit mangelt es uns an einer Technologie, die es uns erm?glichen würde, Verteilungen der Sauerstoffproduktion zu visualisieren und zu messen, um r?umliche Muster mit anderen biologischen Ma?en zu vergleichen. Hier haben wir das VisiSens? Sauerstoff-Imagingsystem getestet, um unser Verst?ndnis von Wirts-Symbionten-Interaktionen zu verbessern, zu untersuchen, wie sich diese unter Umweltstress ?ndern k?nnen, und wie sich das ver?ndernde Klima auf die Gesundheit und Persistenz der Korallen auswirkt. R?umliche Muster des Sauerstoffverbrauchs von einzelnen Korallen wurden unmittelbar nach der Ansiedlung und dem Beginn der Kalkeinlagerung aufgenommen. Au?erdem wurde die Hypothese untersucht, dass es keinen Unterschied im Sauerstoffverbrauch von Korallen gibt, die normalen oder niedrigen pH-Werten ausgesetzt sind, die eine zukünftige Ozeanversauerung nachahmen.

In einer 6-Well Platte wurden kleine Kammern für die Larvenexposition (120 mm²) konstruiert, wobei Sensorfolien und eine Silikonkleberbarriere um die Folien auf dem Boden jeder kreisf?rmigen Vertiefung (35 mm Durchmesser) angebracht waren. 100 μl Behandlungswasser wurden in jede Kammer gegeben, um die neu festgesetzte Koralle zu bedecken (Abb. 1). Die VisiSens? Detektoreinheit wurde vertikal unter Verwendung einer Laborhalterung mit Klemme befestigt, so dass der Boden des Wells und somit die Sensorfolie in direktem und bündigem Kontakt mit der Detektoreinheit war. Wir sammelten Korallenlarven von der brütenden Koralle Pocillopora damicornis (Busch- oder Himbeerkoralle) an den Saumriffen von Kaneohe Bay, Hawaii, und gaben sie in 500 ml-Bechergl?sern mit 0,2 μm gefiltertem Meerwasser. Diese wurden in einen Inkubator mit 26 °C und einer Bestrahlungsst?rke von etwa 100 μmol Photonen m^-2s^-1 photosynthetisch aktiver Strahlung (PAR) gestellt. Wir hielten die Korallenlarven für zwei Tage unter diesen Bedingungen, danach wurde ihnen eine quadratische Siedlungsfliesen aus Plastik (44 mm²) angeboten. Die Larvenansiedlung wurde nach 2 Tagen überprüft; umgewandelte, festgesetzte Larven wurden für das Experiment verwendet. Zur Beschreibung des r?umlichen Gradienten des Sauerstoffverbrauchs über einen Querschnitt der Korallenlarven wurden Sauerstoffmessungen in den kleinen Kammern auf den oben beschriebenen Sensorfolien durchgeführt. Die Live-Profile der Intensit?t 16-minütiger Sauerstoffmessungen im Dunkeln (Abb. 3B) wurden alle 100 Pixel über ein Transekt, das durch die Mitte des Polypen verlief (Abb. 3A), analysiert. Um den Effekt der Ozeanversauerung auf den Sauerstoffverbrauch zu testen, wurden Korallenlarven in den Kammern zusammen mit 100 μL Meerwasser unter zwei unterschiedlichen pH-Bedingungen getestet, die sich aus der Ver?nderung des CO₂-Gehalts oder des gesamten gel?sten anorganischen Kohlenstoffs (DIC) bei konstanter Gesamtalkalinit?t ergaben ( 2190 μmol kg sw^-1). Der normale pH-Wert betrug 7,906 ± 0,004 und der niedrige pH-Wert betrug 7,572 ± 0,047 (beide sind Mittelwert ± Standardabweichung). Korallenlarven wurden in der Kammer auf der Sensorfolie für 15 min im Dunkeln gehalten. Der prozentuale Sauerstoffgehalt wurde mittels einer Zweipunktkalibrierung in 0 % O₂- und 100 % O₂-L?sung berechnet. Die Sensorfolie wurde mit einem Tropfen der 0 % O₂-L?sung aus Natriumsulfit in Seewasser und bei Umgebungsluft (100 %) kalibriert.

Sauerstoffverbrauch der Korallen

Einzelne Korallenlarven (ca. 1,5 mm²) atmeten im Dunkeln auf einem Niveau, das mit dem VisiSens? System (Abb. 3A) erfasst werden konnte. Schon nach 2 Minuten Atmung im Dunkeln war genug Aufl?sung vorhanden, um einen O₂-Gradienten über den Querschnitt der Korallenlarve zu detektieren (Abb. 3B). Die Analyse des Gradienten ergab, dass der O₂-Verbrauch in der Mitte des Organismus am gr??ten war, was dem Bereich um die Tentakel und die Mund?ffnung entspricht, (Abb. 1 und 3), wo die Gewebe am dicksten sind und zum Rand hin abflachen. Der prozentuale O₂-Verbrauch im Dunkeln erh?hte sich nach Exposition mit niedrigen pH-Werten im Vergleich zu Meerwasser mit normalem pH-Wert (t = 3,52, p = 0,0293, siehe Abb. 4).

Zusammenfassung

Eine Schwierigkeit bei der Untersuchung adulter Riffkorallen mit einer komplexen Morphologie ergibt sich aus ihrem verkalkten Skelett, das einen flachen und gleichm??igen Kontakt mit der Korallenoberfl?che für biologische Messungen unm?glich macht. Darüber hinaus wird die biologische Leistungsf?higkeit des Korallengewebes stark von der Str?mung und der Grenzschicht beeinflusst, die zum Teil die Diffusion und den Gasaustausch mit dem umgebenden Meerwasser steuern. Wir haben das VisiSens? Imaging-System mit neu angesiedelte Korallenlarven angewandt und festgestellt, dass die Biologie in Bezug auf die Ebenheit der Folienoberfl?che gut auf diese Technologie abgestimmt ist. Sauerstoffmessungen mit VisiSens? haben eine ausgezeichnete r?umliche Aufl?sung und erlauben zugleich eine Gesamtkartierung des Sauerstoffverbrauchs der Koralle in allen Gewebebereichen. Das VisiSens? System ist ein leistungsf?higes Werkzeug, um die r?umliche und zeitliche Verteilung des Sauerstoffverbrauchs von Organismen in situ zu verstehen. Nach unserem Wissen ist dies die erste Technologie, die eine Aufl?sung im Mikrobereich zusammen mit r?umlichen Informationen liefert. Die am h?ufigsten verwendeten Ans?tze in der Korallenbiologie umfassen Mikroelektroden und Respirometrie in versiegelten Kammern. Diese Methoden liefern Informationen an zwei verschiedenen Enden des Spektrums, die in Einzelpunkt- bzw. Gesamtorganismuswerten resultieren. Die St?rke des VisiSens? Systems liegt in seiner F?higkeit, gleichzeitig den Mikrobereich und, hier in unserem Fall, den gesamten Organismus zu erfassen. Die Aufl?sung im Pixelbereich in der Gr??enordnung von ?m erm?glicht die Untersuchung des Sauerstoffverbrauchs in Korrelation mit der Dichte der Symbionten im Gewebe sowie mit der Dicke des Gewebes selbst. Eine weitere Anwendung dieser Technologie auf Korallen sowie weitere technologische Verbesserungen, um den Nutzen des Systems zu erh?hen und Fragen in morphologisch komplexen Organismen, wie sich verzweigenden ausgewachsenen Korallen, zu behandeln, wird wahrscheinlich in der Zukunft ?u?erst ertragreiche Resultate liefern.