Aufzeichnung räumlicher Muster des Sauerstoffverbrauchs in einzelnen Korallen

Beurteilung des Gesundheiststatus von Korallen in einem sich verändernden 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 räumliche Auflösung und ermöglichte die simultane Sauerstoffkartierung in allen Gewebebereichen der Korallen.

Als Ökosystemingenieure schaffen riffbildende Korallen den strukturellen Rahmen für Korallenriffen. Der Zusammenhang zwischen hohen Kalkeinlagerungen in den Korallen, die diese Ökosysteme 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 verändert erhöhtes CO₂ in der Atmosphäre, das von den Oberflächenozeanen 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 ermöglichen würde, Verteilungen der Sauerstoffproduktion zu visualisieren und zu messen, um räumliche Muster mit anderen biologischen Maßen zu vergleichen. Hier haben wir das VisiSens™ Sauerstoff-Imagingsystem getestet, um unser Verständnis von Wirts-Symbionten-Interaktionen zu verbessern, zu untersuchen, wie sich diese unter Umweltstress ändern können, und wie sich das verändernde Klima auf die Gesundheit und Persistenz der Korallen auswirkt. Räumliche Muster des Sauerstoffverbrauchs von einzelnen Korallen wurden unmittelbar nach der Ansiedlung und dem Beginn der Kalkeinlagerung aufgenommen. Außerdem 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 kreisförmigen 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-Bechergläsern mit 0,2 μm gefiltertem Meerwasser. Diese wurden in einen Inkubator mit 26 °C und einer Bestrahlungsstärke 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 räumlichen Gradienten des Sauerstoffverbrauchs über einen Querschnitt der Korallenlarven wurden Sauerstoffmessungen in den kleinen Kammern auf den oben beschriebenen Sensorfolien durchgeführt. Die Live-Profile der Intensität 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 Veränderung des CO₂-Gehalts oder des gesamten gelösten anorganischen Kohlenstoffs (DIC) bei konstanter Gesamtalkalinität 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-Lösung berechnet. Die Sensorfolie wurde mit einem Tropfen der 0 % O₂-Lösung 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 Auflösung 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 größten war, was dem Bereich um die Tentakel und die Mundöffnung entspricht, (Abb. 1 und 3), wo die Gewebe am dicksten sind und zum Rand hin abflachen. Der prozentuale O₂-Verbrauch im Dunkeln erhöhte 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 gleichmäßigen Kontakt mit der Korallenoberfläche für biologische Messungen unmöglich macht. Darüber hinaus wird die biologische Leistungsfähigkeit des Korallengewebes stark von der Strömung 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 Folienoberfläche gut auf diese Technologie abgestimmt ist. Sauerstoffmessungen mit VisiSens™ haben eine ausgezeichnete räumliche Auflösung und erlauben zugleich eine Gesamtkartierung des Sauerstoffverbrauchs der Koralle in allen Gewebebereichen. Das VisiSens™ System ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die räumliche und zeitliche Verteilung des Sauerstoffverbrauchs von Organismen in situ zu verstehen. Nach unserem Wissen ist dies die erste Technologie, die eine Auflösung im Mikrobereich zusammen mit räumlichen Informationen liefert. Die am häufigsten verwendeten Ansätze 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 Stärke des VisiSens™ Systems liegt in seiner Fähigkeit, gleichzeitig den Mikrobereich und, hier in unserem Fall, den gesamten Organismus zu erfassen. Die Auflösung im Pixelbereich in der Größenordnung von µm ermöglicht 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 erhöhen und Fragen in morphologisch komplexen Organismen, wie sich verzweigenden ausgewachsenen Korallen, zu behandeln, wird wahrscheinlich in der Zukunft äußerst ertragreiche Resultate liefern.