Симбиоз актинии и рака: Секрет взаимоотношений актинии и рака-отшельника

Когда речь заходит о симбиозе как правило вспоминают один из самых известных его примеров — рак-отшельник и морской цветок (актиния). Еще Аристотель обращал на него внимание. Рак-диоген, или отшельник, защищает себя актинией, обеспечивая ей взамен жилплощадь.

Связан такой симбиоз с образом жизни обоих существ. Отшельник не имеет крепкого панциря и уязвим перед многими морскими хищниками. Даже то что он, подобно Диогену в бочке, прячется в чужих раковинах не особо спасает. А малоподвижная актиния питается попавшимися в ее щупальца рыбами. Недостатки в существовании обоих видов сплотили их.

На примере этой пары можно заметить разные уровни симбиоза:

• Начальный, где актиния и отшельник только пытаются уживаться. Раки некоторых видов ищут ракушки на которых уже есть актинии, когда найденная ракушка становится им мала то они ее бросают вместе с актинией и ищут новую, уже с другой компаньонкой.
• Развитый, arrosor+Calliactis parasitica. Эти два вида давно и прочно сосуществуют. Рак специально ищет актинию именно этого вида, а когда находит она сама переползает на его клешню, позволяя унести себя на раковину. Это гораздо более развитое взаимодействие чем в первом случае.

• Полное сосуществование (Мутуализм). Prido+Adamsia. Эти два вида не могут существовать друг без друга. Разделенные, рак Придо сразу погибает от хищников а Адамсия живет от силы несколько месяцев — она не привыкла жить без рака который обеспечивает ей идеальное расположение в море. В отличии от прочих этот рак ставит морской цветок не на верх ракушки а у входа в нее, полностью защищаясь от агрессоров. Они располагаются так что бы их рты смотрели в одну сторону и совместно поедают пойманную рыбу, а по мере роста Придо актиния тоже растет, обволакивая и ракушку и самого рака.
• Стоит отметить что в дуэте Prido+Adamsia иногда фигурирует третий вид — щетинковый червь Nereis. Он питается объедками с их стола и заодно чистит раковину, за счет чего его, очевидно, не трогают ее жители.
• Отдельно от прочих стоит взаимодействие краба Hepatusa и актинии Антолобы. В отличии от симбиоза рака-отшельника и актинии, в данном случае крабу актиния не нужна, а вот он ей нужен. Впрочем крабы не мешают актиниям селится на них. Этот вид отношений видов называется комменсализмом — крабу ни пользы ни вреда, а актиния получает с этого выгоду.

Таким образом, на примере рака-отшельника можно увидеть самые разные уровни развития симбиоза. Сосуществование видов длится уже миллионы лет и продолжает развиваться. Подписывайтесь если хотите узнать больше о том как выживает природа!

Классический пример симбиоза: рак-отшельник и актиния

Один из самых удивительных и необычных примеров сотрудничества различных видов в дикой природе демонстрируют рак-отшельник и актиния – симбиоз столь непохожих существ восхищает ученых на протяжении многих лет. Пожалуй, многим читателям также будет интересно узнать о них больше.

Что такое симбиоз?

Для начала разберемся, что же представляет собой демонстрируемый такими морскими обитателями, как рак-отшельник и актиния, симбиоз. Данный термин переводится с греческого как «совместная жизнь». Большинству людей известно, что так называют форму сосуществования двух различных живых организмов, от которого пользу получают оба. Примеров этого довольно много. Причем довольно часто встречается и мутуализм – рак-отшельник и актиния просто не могут жить друг без друга, быстро погибая порознь.

Это довольно интересная тема – рассмотрим ее более внимательно.

Несколько типов сотрудничества

Симбиоз и мутуализм – это в биологии довольно часто употребляемые термины. Давайте разберемся для начала с первым, а чуть позже и со вторым.

В целом тут все просто: общим у этих процессов является тот факт, что в обоих случаях два соседа-сожителя, путешествуя вместе, получают от сотрудничества определенные преимущества. Например, у таких животных, как рак-отшельник и актиния, симбиоз заключается в том, что первый кормит вторую, а вторая защищает первого.

Рак-отшельник просто аккуратно пересаживает актинию на свою раковину. Причем она ничуть не сопротивляется, будто знает, с кем именно имеет дело. А ведь большинство морских обитателей стараются держаться от нее подальше. На первый взгляд, многие виды актиний представляют собой прекрасный живой цветок. Но экспертам известно, что некоторые разновидности обладают настолько сильным ядом, что всего одной капли достаточно, чтобы убить не слишком крупное животное, например собаку. Тело актинии покрыто стрекательными клетками, убивающими мелкие организмы, а крупным наносящими серьезные ожоги.

Рак-отшельник прекрасно осведомлен об этом – именно для того чтобы хищники держались от него подальше, он и пересаживает актинию на свой панцирь. Причем делает это очень осторожно, сначала аккуратно трогая твердыми клешнями ее тельце, будто поглаживая, уговаривая сменить место жительства. За это актиния не проявляет никакой агрессии к своему новому соседу, позволяя пересадить ее на раковину, в которой он живет и с которой путешествует по морскому дну.

Но ведь в симбиозе каждая сторона должна получать пользу. Так и происходит. Дело в том, что актиния, сидя на одном месте, сравнительно редко может поймать подходящую добычу – мелких рыб, беспозвоночных. Жертвы, запомнив место, где находится опасная хищница, стараются держаться от него подальше. А самостоятельно актиния передвигается очень медленно. Здесь-то на помощь и приходит рак-отшельник. Сидя на его раковине, актиния активно путешествует по огромным территориям, значительно чаще добывая себе еду. К тому же иногда ей перепадают и остатки трапезы рака.

Но в природе существуют сотни видов раков-отшельников и не меньше разновидностей актиний. Каждая из них имеет определенные особенности. Как показывают исследования, у рака-отшельника и актинии тип отношений может значительно различаться. Расскажем о наиболее распространенных и интересных вариантах.

Временные союзники

Сюда можно отнести довольно много разновидностей раков-отшельников. Они имеют мягкое брюшко, не защищенное хитиновым панцирем, из-за чего часто становятся добычей рыб и осьминогов. Чтобы этого не произошло, рак-отшельник использует в качестве своего домика раковины. Причем не любые – он постоянно ищет те, которые оставили другие раки его вида или же близкородственные – на них уже сидит актиния. Так начинается симбиоз, однако длится он не слишком долго.

Как только рак-отшельник перерастает свою старую раковину, он, не задумываясь, бросает ее вместе с актинией, отправляясь на поиски нового жилья. Впрочем, актиния редко долго скучает в одиночестве – мелких крабов в море много, и вскоре ее раковину наверняка облюбует другой рак-отшельник, и они снова будут путешествовать по морскому дну.

Верные товарищи

Но у таких удивительных животных, как рак-отшельник и актиния, тип отношений может быть совсем иным. В первую очередь сюда относятся рак арросор и актиния паразитическая (это только название, ведь в данном симбиозе пользу из союза извлекают обе стороны).

Молодой рак-отшельник, найдя свое первое жилье, обязательно отправится на поиски подходящей соседки – такой же маленькой, чтобы не доставляла лишних проблем во время передвижения. Они много путешествуют, активно питаются и, соответственно, довольно быстро растут. Проходит совсем немного времени, и раку становится тесновато в старой раковине. Да и актиния уже почти сваливается с нее. Как же быть? Ответ известен – пора искать новое жилище.

Обычно проблем с этим не возникает – достаточно побродить немного по морскому дну, чтобы найти подходящий вариант. Но когда более крупная раковина найдена, рак-отшельник арросор не просто перебирается в нее, а поступает весьма благородно – переносит еще и актинию на новое место. И снова старые, проверенные друзья продолжают свои увлекательные путешествия.

На этом примере особенно хорошо видно, что у таких морских обитателей, как рак-отшельник и актиния, симбиоз просто нерушим.

Друзья на всю жизнь

Но даже такой союз меркнет перед сотрудничеством рака-отшельника придо и актинией адамсией.

Начинается все привычно: первый находит раковину, вселяется в нее, пересаживает вторую себе на спину. И это союз на всю жизнь. Причем здесь присутствуют три стороны – раковина также никогда не покинет своих хозяев.

Дело в том, что актиния, постепенно подрастая, выделяет из тела быстротвердеющую слизь. То есть она просто достраивает раковину, чтобы и ей было комфортно, и соседу не пришло в голову искать более подходящий вариант.

Оставшись без раковины, рак-отшельник придо погибает за несколько дней, становясь добычей хищников. А подросшая, привыкшая хорошо питаться актиния адамсия протянет на голодном пайке, сидя на одном месте, от силы несколько месяцев.

Они представляют собой ярчайший пример мутуализма. Это в биологии не очень распространенное явление, но сам термин прекрасно иллюстрируется данным союзом.

Заключение

Статья заканчивается. Теперь вы знаете больше о том, что такое симбиоз и мутуализм. А заодно узнали, что у рака-отшельника и актинии могут быть самые разные форматы сотрудничества.

Взаимоотношения между организмами, подготовка к ЕГЭ по биологии

Мириады живых существ в экосистеме находятся в неисчислимом количестве связей с другими существами. Это сложнейшая сеть взаимосвязей между организмами обеспечивает устойчивость экосистемы, служит предметом интереснейшей науки — экологии.

Мы коснемся с вами этого уникального, хрупкого мира взаимосвязей живых существ. Среди форм взаимоотношений между организмами выделяют:

Форма существования двух организмов, принадлежащих к разным видам. Некоторые организмы-симбионты никак не могут существовать друг без друга — облигатный симбиоз (лат. obligatus — обязанный). Примером облигатного симбиоза могут служить лишайники, организмы, образованные симбиозом гриба и водоросли.

Иногда симбиоз между особями возможен, но не является обязательным условием. Если особи могут быть в симбиозе, а могут и поодиночке, то такой симбиоз будет считаться факультативным (франц. facultatif — необязательный).

Известный пример факультативного симбиоза (протокооперации) — отношения между раком-отшельником и актинией. Актиния крепится к панцирю рака-отшельника, своими щупальцами обездвиживает мелких животных, таким образом, достает пищу для себя и рака. Рак-отшельник постоянно перемещает актинию, за счет чего вероятность ее встречи с потенциальной жертвой увеличивается.

В рамках симбиоза можно выделить мутуализм, комменсализм и паразитизм.

• Мутуализм (лат. mutual — взаимный)

Форма взаимовыгодного облигатного симбиоза. Примером мутуализма могут послужить взаимоотношения между рыбой-клоуном и актинией. Рыба-клоун спасается от врагов среди щупалец актинии, проводит там санитарную обработку: она удаляет из актинии непереваренные остатки пищи, вентилирует воду.

Внутри пищеварительного тракта коровы происходит мутуализм с бактериями. Особая микрофлора заселяет отдел желудка — рубец. Именно здесь целлюлоза, которая не может быть разрушена пищеварительными ферментами коровы, переваривается бактериями-симбионтами. Без бактерий нормальное расщепление целлюлозы невозможно.

• Комменсализм (лат. com — вместе + mensa — стол, трапеза)

Комменсализм — способ симбиоза, при котором один из партнеров (комменсал) возлагает на другого (хозяина) регуляцию своих взаимоотношений с внешней средой. При этом комменсал получает пользу от таких взаимоотношений, а хозяин не получает ни вреда, ни пользы.

Примером таких взаимоотношений может послужить «квартиранство», при котором один из организмов использует другой как жилище: в мантийную полость двустворчатых моллюсков откладывают икринки рыбы-горчаки, благодаря чему развивающиеся икринки надежно защищены раковиной моллюска, но не приносят ни вреда, ни пользы самому моллюску.

Также примером является и «нахлебничество». Под этот термин подпадают отношения между акулой и рыбой-прилипалой. Рыба-прилипала (комменсал) прикрепляется к акуле, преодолевает большие расстояния и питается остатками пищи, расплывающимися в стороны после трапезы акулы.

• Паразитизм (греч. parasitos — нахлебник)

Паразитизм также является способом симбиоза. При этой форме отношений один организм (паразит) использует другой (хозяина) в качестве источника питания (и среды обитания), при этом частично/полностью возлагая на него регуляцию своих отношений с внешней средой.

Паразитизм бывает облигатный, в случае если паразит не может жить без хозяина, к примеру, у вирусов. Может быть факультативный, если паразит способен существовать без хозяина: комары, блохи, вши, паразитические черви.

В современной экологии в понятие хищничества вкладывается форма взаимоотношения, при которой один организм питается органами и тканями другого, при этом между двумя организмами отсутствуют симбиотические связи. То есть они никак не зависят друг от друга.

Иногда понятие хищничества обобщается, и в него включают плотоядных, растительноядных, всеядных животных и паразитов.

При этой форме взаимоотношений виды не оказывают друг на друга практически никакого влияния. Они редко встречаются из-за разности типов питания, экологических ниш.

Антибиозом называют такие взаимоотношения между видами, при которых один организм ограничивает возможности другого, иногда вплоть до невозможности существования. Выделяют аменсализм, аллелопатию и конкуренцию.

• Аменсализм (греч. а — отрицательная частица + лат. mensa -стол, трапеза)

При аменсализме один вид подавляет другой без извлечения выгоды для себя и без обратного отрицательного влияния с подавляемой стороны. Примерами аменсализма являются высокие широкие кроны взрослых деревьев, которые практически не пропускают свет в подлесок и тем самым угнеют рост молодых растений, мхов.

• Аллелопатия (греч. allelon — взаимно + pathos — страдание)

Аллелопатией называют подавление одного вида организмов другим (и обратное воздействие) вследствие выделения токсичных веществ. Часто встречается у микроорганизмов, грибов.

Примером может считаться выделение антибиотиков двумя близкорасположенными бактериями. В этом случае антибиотик каждой бактерии будет замедлять рост и развитие другой, может приводить к гибели.

• Конкуренция (лат. concurrentia — столкновение)

Если у особей, принадлежащих к двум разным видам (или к одному), сходный образ жизни, кормовая база, занимаемая ими экологическая ниша, ограниченные возможности для полового размножения: между ними возникает конкуренция.

Особенно часто возникает конкуренция между особями одного вида, ведь их потребности совершенно одинаковы. Недаром самым ожесточенным вариантом борьбы за существование считается внутривидовая борьба.

Исследователь использует яд морского анемона для борьбы с раковыми клетками

01.08.2017
Эдвин Л. Агирре

Можно ли использовать яд морского анемона для борьбы с раковыми клетками человека?

Это то, что приглашенный студент-исследователь из Испании хотел узнать во время своей недавней стажировки в Университете Массачусетса Лоуэлл.

Эсперанса Ривера де Торре, доктор биологических наук. кандидат из Мадридского Университета Комплутенсе (UCM) три месяца проработал в лаборатории доц. Профессор Джессика Гарб из Департамента биологических наук изучает способность морских существ бороться с раком.

Морские анемоны, которые представляют собой разноцветные морские беспозвоночные, проводят свою жизнь прикрепленными к камням на морском дне или коралловым рифам. Близкие родственники кораллов и медуз, у них есть щупальца, наполненные жалящими полипами, которые могут вводить парализующий нейротоксин их добыче, обычно маленькой рыбе или ракообразным.Эти токсины могут помочь понять, как эффективно воздействовать на раковые клетки и уничтожать их. Фото Эдвина Л. Агирре

доц. Биологии. Профессор Джессика Гарб (слева) и студентка по обмену ERASMUS Эсперанса Ривера де Торре загружают образцы в секвенатор ДНК в лаборатории биомолекулярных характеристик университета в Центре Saab в Северном кампусе.

«Яд морских анемонов может вызывать жжение. Это может быть болезненно, как укус медузы, но недостаточно, чтобы убить людей », — говорит Ривера.«Я использую инструменты генной инженерии, имеющиеся в лаборатории, для анализа токсичных белков карибских морских анемонов и пытаюсь выяснить, как они работают. Эти токсины могут создавать дыры в стенках любых клеток. В этом случае мы хотим, чтобы токсины нацелены на злокачественные клетки ».

Помимо работы в лаборатории с Гарбом, Ривера также проводил время с Джеком Лепином, техническим специалистом университетской лаборатории биомолекулярных характеристик в Центре Saab.

«Там она использовала новый секвенатор ДНК нового поколения Core Research Facility, чтобы изучить новые методы сбора высокопроизводительных данных об экспрессии генов и биоинформатики», — говорит Гарб.Фото Эдвина Л. Агирре

Ривера работает с Джеком Лепином, техническим специалистом Лаборатории биомолекулярных характеристик.

«Пока результаты выглядят многообещающими», — отмечает Ривера.

Глобальное расширение знаний

Исследование Риверы в кампусе было частью программы ERASMUS, инициативы по обмену студентами, запущенной в 1987 году Европейским союзом. В настоящее время в программе участвуют более 4000 высших учебных заведений из 37 стран, и с момента ее создания в ней приняли участие более трех миллионов студентов.

«У меня был действительно хороший опыт работы в Университете Массачусетса Лоуэлл», — говорит Ривера, которая планирует получить докторскую степень в 2020 году.

«Я узнала об американской культуре, научилась работать с новыми исследовательскими группами — навык, которым я буду заниматься. необходимость в будущем — и я смог практиковать свой английский, язык наук. Я также смог получить доступ к лабораторным инструментам, которых нет в моей родной стране, и изучил биоинформатику, вычислительные инструменты для анализа больших наборов данных.Это большой плюс моей диссертации », — говорит она.

«Было здорово, что у меня в лаборатории была Эсперанса», — говорит Гарб. «У нее было много энергии и энтузиазма, и она очень хорошо ладила с другими людьми из моей исследовательской группы».

Как и любая успешная программа обмена, были преимущества для обеих сторон.

Гарб встречается с профессором Альваро Мартинес-дель-Посо (слева) с кафедры биохимии и молекулярной биологии Мадридского университета Комплутенсе и проф.Франсиско Ортега, декан химического факультета университета.

Ривера, доктор философии. Научный руководитель из Мадрида, профессор Альваро Мартинес-дель-Посо, провел два семинара для преподавателей и студентов UMass Lowell во время своего пятидневного пребывания в кампусе в сентябре прошлого года в рамках программы обмена преподавателями. Его исследования в основном касаются токсичных грибов.

В мае настала очередь Гарб посетить Мадрид, где она прочитала две лекции и встретилась с аспирантами и преподавателями биологии и химии.Она рассказала о своих текущих исследованиях геномной эволюции паучьего шелка и яда, а также о секвенировании ДНК.

«Я установил два основных направления сотрудничества между UMass Lowell и UCM — то есть, характеризуя токсичные белки морских анемонов и пауков, соответственно», — говорит Гарб.

«Во время своего визита я встретился с представителями школы, чтобы обсудить текущее состояние исследований, деятельность по продолжению будущих исследовательских проектов и планы совместных публикаций. Поездка помогла мне расширить мое понимание международной образовательной практики и помогла укрепить связи между нашими университетами, чтобы в будущем было возможно больше обменов через программу ERASMUS.”

Идентичность хозяина и симбиотическая ассоциация влияют на генетическое и функциональное разнообразие микробиома морского анемона-клоуна

Abstract

Вся эукариотическая жизнь вступает в симбиоз с разнообразным сообществом бактерий, которые необходимы для выполнения основных жизненных функций. Во многих случаях эукариотические организмы образуют дополнительный симбиоз с другими макроскопическими эукариотами. Тесно связанные физические взаимодействия, которые характерны для многих макроскопических симбиозов, создают возможности для микробного переноса, что, вероятно, влияет на разнообразие и функции отдельных микробиомов и может в конечном итоге привести к конвергенции микробиома между отдаленно родственными таксонами.Здесь мы секвенируем микробиомы пяти видов морских анемонов, обитающих на коралловых рифах на Мальдивах. Мы проверяем важность эволюционной истории, ассоциации симбионтов рыб-клоунов и среды обитания на генетическом и прогнозируемом функциональном разнообразии микробиома, а также исследуем сигналы конвергенции микробиома в таксонах анемонов, которые независимо развили симбиоз с рыбами-клоунами. Наши данные показывают, что идентичность хозяина формирует большую часть генетического разнообразия микробиома морского анемона, содержащего рыбу-клоун, но прогнозируемый анализ функционального микробного разнообразия демонстрирует конвергенцию микробиомов анемона-хозяина, что отражает повышенное функциональное разнообразие по сравнению с индивидуумами, не являющимися хозяевами рыб-клоунов.Кроме того, мы идентифицируем активированные микробные функции у анемонов-хозяев, на которые, вероятно, влияет присутствие рыбы-клоуна. Взятые вместе, наше исследование показывает еще более глубокую метаболическую связь между рыбами-клоунами и их анемонами-хозяевами, а также то, что может быть ранее неизвестным мутуалистическим преимуществом для анемонов, которые являются симбиотическими с рыбами-клоунами.

Введение

Важность симбиоза подчеркивается его повсеместностью — практически вся жизнь участвует в сложных многоуровневых симбиозах, которые критически влияют на формирование и распространение биоразнообразия по всему миру [1-3].Как минимум, вся многоклеточная жизнь вступает в симбиоз с прокариотической микробиотой, которые необходимы для выживания, критически влияют на индивидуальное здоровье, развитие и усвоение питательных веществ и которые служат в качестве основного интерфейса между людьми и окружающей их средой [например, 4-12]. Было показано, что на состав и разнообразие микробного сообщества человека (т. Е. Микробиома) влияет множество факторов, но, как правило, они рассматриваются как сочетание эволюционной истории и экологии [e.грамм. 13-17].

Помимо микробных симбиозов, многие многоклеточные эукариоты вступают в симбиоз с другими многоклеточными организмами. Центральными особенностями этих взаимодействий являются физические связи между составляющими партнерами, которые обеспечивают возможность микробного переноса, добавляя уровень сложности к факторам, которые влияют на разнообразие и функции отдельных микробиомов. Многие макроскопические симбиозы включают разных партнеров, происходят в разных средах обитания и независимо эволюционировали несколько раз по древу жизни [18-20].Следовательно, макроскопические симбиозы обеспечивают важную основу для изучения процессов, которые могут привести к слиянию отдаленно родственных таксонов в микробиомах со сходными генетическими и функциональными профилями.

Среди огромного симбиотического разнообразия на планете мутуализм рыба-клоун-морской анемон выделяется как знаковый пример и обладает характеристиками, которые делают его полезной системой для понимания процессов, которые влияют на разнообразие микробиома и функции в рамках макроскопических симбиозов.Классический пример мутуализма: 30 видов рыб-клоунов (или анемонов) адаптивно излучались от общего предка, чтобы жить с 10 видами морских анемонов на коралловых рифах Индийского и Тихого океанов [21-23]. Внутри морских анемонов (отряд Actiniaria) симбиоз с рыбами-клоунами развивался независимо как минимум три раза [24]. Симбиоз рыбы-клоуна и морского анемона встречается в различных средах обитания коралловых рифов и включает в себя множество сочетаний ассоциаций морской анемон-рыба-клоун, которые распространяются совместно [21, 23-27].Рыбы-клоуны считаются облигатными симбионтами морских анемонов, у них развился ряд специфических особенностей хозяев, и они никогда не встречаются по отдельности [21, 27]. Анемоны, напротив, получают существенную пользу от размещения рыб-клоунов [28, 29], но могут быть обнаружены отдельно [25].

Способность рыб-клоунов жить в смертоносных щупальцах морских анемонов проистекает из их слизистой оболочки. Слизистое покрытие поддерживается за счет регулярного физического контакта с хозяевами анемонов, что, как считается, предотвращает выделение нематоцист за счет «химического камуфляжа», заставляющего анемоны распознавать рыбу как себя [30].Таким образом, долгосрочное и краткосрочное поддержание симбиоза требует постоянного взаимодействия, которое должно приводить к регулярному переносу микробов между хозяином и симбионтом. В лабораторных условиях было показано, что микробный состав слизи рыбы-клоуна быстро меняется в присутствии анемона-хозяина [31]. Однако микробное разнообразие анемонов-хозяев остается не охарактеризованным, а множественное происхождение симбиоза с рыбами-клоунами делает этих животных особенно полезными системами для понимания того, генерирует ли макроскопический симбиоз микробную конвергенцию между отдаленно родственными таксонами.

Здесь мы используем полевой отбор проб in situ для проведения первого сравнительного микробного исследования морских анемонов, являющихся хозяевами рыб-клоунов, чтобы проверить важность идентичности хозяев, ассоциации симбионтов-клоунов и среды обитания для генетического и прогнозируемого функционального разнообразия микробиома. Мы изучаем микробиомы пяти видов морских анемонов, содержащих рыб-клоунов, которые в мелком масштабе обитают на коралловых рифах на Мальдивах, но различаются по среде обитания и ассоциациям симбионтов рыб-клоунов.Наши пять основных таксонов происходят от трех клад анемонов, которые независимо развили симбиоз с рыбами-клоунами [24] и поэтому предлагают уникальную возможность исследовать взаимодействие между историей эволюции, окружающей средой и макроскопическими симбиозами в формировании разнообразия микробиома.

Материалы и методы

Сбор образцов

Образцы микробов были собраны у пяти видов морских анемонов, содержащих рыб-клоунов, на атолле Хувадху, Республика Мальдивы (0 ° 11’45.89 ”с.ш., 73 ° 11’3,53” в.д.) — Cryptodendrum adhaesivum, Entacmaea quadricolor, Heteractis aurora, H. magnifica и Stichodactyla mertensii (таблица 1; рис. S1). Очаговые анемоны происходят из трех клад, которые независимо развили симбиоз с рыбами-клоунами: 1) Stichodactylina ( C. adhaesivum, H. magnifica и S. mertensii ), 2) Heteractina ( H. aurora ) и 3) E. quadricolor [24]. Образцы были собраны в трех средах обитания рифов атолла: 1) внешний передний риф атолла (глубина 10-25 м), 2) склон лагунного окаймляющего рифа (глубина 5-25 м) и 3) мелководный (глубина 1 м) рифовый риф (рис.S2). Пункты отбора проб были разделены не более чем на 10 км (рис. S2). Только экземпляры H. magnifica присутствовали во всех трех местообитаниях (Таблица 1). Далее мы собрали образцы двух различных фенотипов H. magnifica : 1) пурпурный фенотип, обнаруженный на внешнем атолле передним рифом и на склонах лагунного окаймляющего рифа, где обитала мальдивская эндемичная рыба-клоун Amphiprion negripes (рис. S1E) и 2 ) фенотип бледного столба, обнаруженный на неглубокой (глубина 1 м) рифовой плоской поверхности, где не было рыб-симбионтов (рис.S1F). Все другие виды и особи анемонов, отобранные в этом исследовании, содержали Amphiprion clarkii (рис. S1A-D), и анемоны без рыб-клоунов в воде глубже 1,5 м не обнаружены. Образцы собирали путем вырезания двух щупалец на каждую отдельную анемона. Всего было отобрано 94 щупальца 47 отдельных анемонов, которые сразу же сохранены в RNAlater.

Виды морских актиний, среда обитания, размеры выборки и ассоциация симбионтов рыб-клоунов, отобранные на Мальдивах и включенные в это исследование

ДНК и секвенирование ампликона 16s каждый человек использовал наборы крови и тканей Qiagen DNeasy.ДНК количественно определяли и стандартизировали до 5 нг / мкл для каждого образца. Разнообразие микробиома оценивали с помощью секвенирования Illumina, нацеленного на последовательность из 252 пар оснований гипервариабельной области v4 гена SSU 16S рРНК. Библиотеки ампликонов 16S были приготовлены в соответствии с протоколом Earth Microbiome Protocol [32. Секвенирование ампликонов 16s проводили на Illumina MiSeq с использованием цикла V2 500 (250 × 250 пар оснований) в лабораториях аналитической биологии Национального музея естественной истории.

Анализ данных микробиома

Данные последовательности ампликона были демультиплексированы, очищены от шума для идентификации вариантов последовательности ампликона (ASV), собраны и проанализированы с использованием QIIME2 и связанных плагинов (см. Дополнительные электронные материалы) [33].После демультиплексирования и соединения чтения мы объединили считывания из повторяющихся образцов, чтобы увеличить количество считываний последовательности на отдельную анемона (то есть считывания из 94 образцов щупалец, объединенных в 47 человек). Таксономия микробов была присвоена с использованием классификатора Naïve Bayes, обученного в базе данных 99% SILVA 132 (silva-132-99-nb-classifer). Затем полученные таблицы признаков были отфильтрованы для удаления ASV, которые не могли быть идентифицированы как бактериальные, и таксономия была визуализирована с помощью команды столбчатого графика таксонов QIIME2.

Для проверки вариабельности микробного генетического разнообразия в зависимости от хозяина, среды обитания и ассоциации рыб-клоунов, данные ампликонов были стандартизированы с использованием глубины секвенирования разрежения, составляющей 55 377 считываний последовательностей на человека. Используя QIIME2, мы проверили значительную (p <0,05) вариацию микробного альфа- и бета-генетического разнообразия в трех типовых категориях метаданных: 1) виды-хозяева анемонов, 2) ассоциация симбионтов рыбы-клоуна ( A. clarkii, A. negripes или ни одной ), и 3) среда обитания (передний риф атолла, рифовая плоскость или лагунный риф).Альфа-разнообразие было рассчитано с использованием индекса разнообразия Шеннона (H) и апостериорных сравнений , проведенных с использованием непараметрических тестов Краскела-Уоллиса. Значительная вариация бета-разнообразия между категориями выборок была протестирована с использованием дистанционных мер Брея-Кертиса несходства сообществ и апостериорных сравнений , проведенных с использованием перестановочного многомерного дисперсионного анализа (perMANOVA). Графики распределения для анализа бета-разнообразия были визуализированы с использованием неметрических графиков многомерного масштабирования (nMDS).

Наконец, мы предсказали и сравнили функциональное разнообразие микробных метагеномов с помощью PICRUSt (Филогенетическое исследование сообществ путем реконструкции ненаблюдаемых состояний) [34]. Все ASV были нормализованы для числа копий 16, и функция была предсказана путем отнесения ASV к категориям ортологии Киотской энциклопедии генов и геномов (KEGG) [35]. Значительные вариации в предсказанном альфа- и бета-метагеномном функциональном разнообразии по категориям выборочных метаданных были протестированы статистически с использованием мер Шеннона (H) и Брея-Кертиса, как указано выше.Затем мы использовали DESeq2 [36] и логарифмические преобразования для обнаружения дифференциально распространенных и сильно изменчивых функциональных групп в типовых категориях метаданных.

Результаты и обсуждение

Наш окончательный набор данных состоял из 47 отдельных анемонов,> 4 500 000 считываний последовательностей и 6 288 ASV. Вариация в последовательности считываний на анемон варьировала от 55 377 до 161 761 считывания, при среднем значении 87 320 считываний, а окончательные значения ASV после разрежения находились в диапазоне 75-797 (рис. S3). Таксономический состав микробных сообществ варьировался в зависимости от вида анемона, ассоциации симбионтов рыбы-клоуна и среды обитания (рис.1), но преобладали неклассифицированные бактерии, гаммапротеобактерии и в меньшей степени Bacteroidetes (рис. 1А). Интересно, что больше ASV остались неклассифицированными в бледной колонке экоморфов H. magnifica из плоских рифовых местообитаний, в которых не было рыбы-клоуна, чем для любых других видов анемонов (рис. 1A).

Визуализация таксономического и генетического разнообразия микробных сообществ морских анемонов, являющихся хозяевами рыб-клоунов. A) Таксономический состав микробиоты морских анемонов, в которых обитает рыба-клоун, с указанием относительной численности (%) основных таксономических групп микробов по ассоциации анемонов-хозяев и симбионтов рыбы-клоуна (черные полосы).B) Коробчатая диаграмма, представляющая микробное генетическое разнообразие (индекс разнообразия Шеннона H ) морских анемонов, являющихся хозяевами рыб-клоунов, сгруппированных по видам-хозяевам. C) Коробчатая диаграмма, представляющая микробное генетическое разнообразие (индекс разнообразия Шеннона H ) морских анемонов, содержащих рыб-клоунов, сгруппированных ассоциацией симбионтов рыб-клоунов. D) Неметрический график многомерного масштабирования (nMDS) различий Брея-Кертиса, окрашенных видами-хозяевами анемонов, с эллипсами 95% достоверности вокруг центроида группы. E) Неметрический график многомерного масштабирования (nMDS) различий Брея-Кертиса видов анемона-хозяина, окрашенный ассоциацией симбионтов рыбы-клоуна, с эллипсами 95% достоверности, нарисованными идентичностью хозяина анемона.

Анализ альфа- и бета-разнообразия показывает, что виды анемонов, а не ассоциация или среда обитания симбионтов рыб-клоунов, являются движущей силой большей части сигнала микробного генетического разнообразия в нашем наборе данных, поскольку многие из отобранных анемонов, содержащих рыб-клоунов, обладали уникальными микробиомами, которые значительно отличались от каждого из них. прочее (Рис. 1B-E; Таблицы S1-6; Рис. S4 и S5). Однако анализ бета-разнообразия Брея-Кертиса также показывает, что анемоны, являющиеся хозяевами симбионтов рыб-клоунов ( A. clarkii или A.negripes ), независимо от хозяина или среды обитания, больше похожи на других анемонов, которые являются хозяевами того же вида рыб-клоунов, чем с анемонами, которые являются хозяином другой рыбы-клоуна или не являются хозяином рыбы (perMANOVA F = 15,05, p <0,002; рис. 1E; Таблица S5). Это означает, что, хотя виды-хозяева анемонов, по-видимому, в первую очередь ответственны за генетическое разнообразие и состав микробов, существует некоторая степень конвергенции микробиома между отдаленно родственными анемонами, которые являются хозяевами одного и того же вида рыб-клоунов.Передача микробиоты между макроскопическими симбиотическими партнерами хорошо продемонстрирована в симбиозах растение-опылитель [например, 11, 37] и конвергенция микробиома также была отмечена в некоторых, но не во всех, симбиозах муравьев-листорезов [например, 38-39]. Конвергенция микробиома среди симбиотических партнеров менее изучена в морских системах, но Pratte et al. [31] недавно продемонстрировали в лабораторных условиях изменения в составе микробиома между анемоном-хозяином и не-хозяином-клоуном A. clarkii , что подразумевает либо прямую передачу микробов от анемона клоуну, либо изменение микробного разнообразия в ответ на взаимодействие.Наши данные также предполагают либо прямой перенос микробов от рыбы-клоуна к хозяину, либо изменение разнообразия. Pratte et al. [31] не исследовали микробиомы анемонов на протяжении всего периода экспериментальных испытаний, и мы не собирали здесь образцы рыб-клоунов, поэтому еще предстоит выяснить, насколько конвергентными становятся микробиомы обоих симбиотических партнеров, когда они связаны друг с другом, и насколько микробиологические передача действительно происходит между партнерами.

Функциональный анализ альфа- и бета-разнообразия с использованием предсказанных PICRUSt метагеномов усиливает роль идентичности анемона-хозяина в формировании функционального разнообразия микробиома хозяина (индекс разнообразия Шеннона, H = 28.38, р <0,0001; perMANOVA F = 14,82, p <0,002; Таблицы S7-8), но, что интересно, эти анализы также подчеркивают, что принимающие симбионты рыб-клоунов увеличивают функциональное альфа- и бета-микробное разнообразие анемонов-хозяев по сравнению с теми, которые этого не делают (H = 15,67, p <0,0001; F = 14,86, p <0,002; Рис. 2A-C; Таблицы S9-10). Анемоны, в которых обитало A. clarkii и A. negripes , функционально не отличались друг от друга по показателям альфа- или бета-разнообразия (рис. 2A-C; Таблица S8), и если повышенное функциональное микробное разнообразие свидетельствует об улучшении здоровья как и для многих других таксонов, эти данные могут представлять собой первое свидетельство ранее неизвестной взаимной выгоды от размещения рыб-клоунов, полученной анемонами-хозяевами в рамках этого знакового симбиоза.

Вариация в PICRUSt предсказала функциональное микробное разнообразие у рыб-клоунов, в которых обитают актинии. A) Коробчатая диаграмма, представляющая прогнозируемое функциональное альфа-разнообразие (индекс разнообразия Шеннона H ) морских анемонов-клоунов, сгруппированных по видам-хозяевам. C) Коробчатая диаграмма, представляющая прогнозируемое функциональное альфа-разнообразие (индекс разнообразия Шеннона H ) морских анемонов, содержащих рыб-клоунов, сгруппированных ассоциацией симбионтов рыб-клоунов. C) Неметрический график многомерного масштабирования (nMDS) прогнозируемых функциональных различий Брея-Кертиса видов анемонов-хозяев, окрашенных ассоциацией симбионтов рыбы-клоуна, с эллипсами 95% достоверности, нарисованными идентичностью анемона-хозяина.D) Тепловая карта 20 наиболее изменчивых прогнозируемых функциональных категорий KEGG в зависимости от идентичности анемона-хозяина, ассоциации симбионтов-клоунов и среды обитания.

Используя анализ DESeq2, мы определили функции KEGG, которые были в разной степени многочисленны и сильно варьировались между анемонами-хозяевами и нехозяевами рыб-клоунов (Таблица 2; Рис. 2D). У актиний, являющихся хозяевами рыб-клоунов, метаболические функции арахидоновой кислоты (ARA), являющиеся частью более широкого пути метаболизма липидов, были в 25 раз выше, чем у актиний, не являющихся хозяевами (Таблица 2).Ни один другой функциональный путь не был более чем в 3 раза более распространенным (Таблица 2, Таблица S11). ARA представляет собой незаменимую полиненасыщенную жирную кислоту (ПНЖК), которая может быть приобретена анемонами-хозяевами посредством транслоцированного фотосинтата из их сообщества Symbiodiniaceae, гетеротрофного захвата добычи или через побочные продукты жизнедеятельности симбионтов рыб-клоунов [например, 40-43]. Монооксигеназные пути цитохрома P450, которые катализируют ARA и другие ПНЖК до биологически активных межклеточных сигнальных молекул (эйкозаноидов), также были сильно вариабельны и в основном были обогащены анемонами хозяина (рис.2D). Липиды эйкозаноидов участвуют в реакции на окислительный стресс и, как предполагается, играют роль в реакции на окислительный стресс у симбиотических книдарий [43–44]. Хорошо задокументировано, что симбионты рыб-клоунов увеличивают перенос газа и насыщают кислородом своих анемонов-хозяев, одновременно передавая органические отходы своим хозяевам-анемонам, которые функционально действуют как удобрения для эндосимбиотических Symbiodiniaceae [28-29]. Не исключено, что увеличение количества свободных радикалов кислорода, образующихся при перемещении рыбы через хозяина, а также за счет кислорода, образующегося в виде отходов во время фотосинтеза, могло стимулировать метаболический ответ анемона хозяина, имитирующий реакцию на окислительный стресс.Следовательно, анемоны, являющиеся хозяевами рыб, могут увидеть соответствующий сдвиг в разнообразии микробиома и функции, чтобы компенсировать увеличение метаболитов ARA, которые могут быть вредными для хозяина. Если это так, эти данные могут указывать на скрытую стоимость содержания анемонов мутуалистических рыб-клоунов. Однако ARA используется во множестве физиологических процессов, и ее производные, такие как факторы активации тромбоцитов, также известны как вовлеченные в рост тканей и конкуренцию кораллов [например, 45-46]. Необходимы более подробные микробные и метаболомные исследования, чтобы точно определить источник любых повышенных уровней ARA в анемонах-хозяевах в присутствии рыбы-клоуна.Независимо от его происхождения и от того, отражает ли он полезный аспект симбиоза, степень, в которой микробные сообщества различаются по функциям ARA, является ярким метаболическим сигналом того, что микробные сообщества на морских анемонах-хозяевах реагируют на присутствие рыбы-клоуна. Как минимум, это открытие согласуется с литературными данными о том, что присутствие рыбы-клоуна оказывает значительное влияние на метаболизм и физиологию анемона-хозяина [28-29; 47-48].

Значительно обогатилась первая десятка ( p -adj <0.05) Микробные функции KEGG для размещения морских анемонов у рыб-клоунов (выделены серым цветом) и не-клоунов-хозяев. Положительные значения двукратного изменения указывают на микробные функции, обогащенные анемонами-хозяевами по сравнению с анемонами, не являющимися хозяевами, а отрицательные значения двукратного двукратного изменения указывают на микробные функции, обогащенные анемонами, не являющимися хозяевами, по сравнению с анемонами-хозяевами.

Другие функциональные группы микробов, которые мы обнаружили, чтобы быть в разной степени многочисленными между анемонами-хозяевами и нехозяевами, служат дополнительным признаком того, что сообщества микробов реагируют на присутствие рыбы-клоуна (Таблица 2).Бактерии, участвующие в ренин-ангиотензиновой системе и первичном биосинтезе желчных кислот, также были более многочисленны в анемонах-хозяевах и должны были происходить только из побочных продуктов метаболизма из позвоночных источников — скорее всего, из отходов рыбы-клоуна или реагировать на них. Метаболические бактериальные функции линолевой кислоты могут также указывать на увеличение степени, в которой сообщества эндосимбиотических Symbiodiniaceae в анемонах-хозяевах передают фотосинтаты ПНЖК хозяину, что, возможно, отражает более здоровое сообщество эндосимбионтов, постоянно питающееся органическими отходами рыбы-клоуна.

В заключение, мы впервые демонстрируем, что присутствие рыбы-клоуна увеличивает функциональное разнообразие микробиома хозяина анемона, выявляя еще более глубокую метаболическую связь между рыбами-клоунами, анемонами-хозяевами, эндосимбиотическими Symbiodiniaceae и то, что, вероятно, является ранее неизвестным мутуалистическим преимуществом симбиоз на микробном уровне.

Благодарности

Мы благодарим Small Island Research Center (Фарес-Маатода, Мальдивы) за поддержку полевых исследований и логистику.Аарон Хартманн, Мелисса Ингала, Дженнифер Мэтьюз и Сьюзен Перкинс дали ценные советы по анализу данных и метаболическим функциям антозоидов. Лаборатории аналитической биологии (L.A.B.) в Национальном музее естественной истории для молекулярных услуг. Образцы были собраны в соответствии с разрешением на исследования 30-D / Indiv / 2018/27. Эта работа была поддержана Стипендией ученых Герстнера и Фондом семьи Герстнер, Фондом Лернера-Грея для морских исследований, а также аспирантурой Ричарда Гульдера, Американским музеем естественной истории для BMT и Национальным музеем естественной истории для CPM.

Ссылки

1. 1.↵

   Boucher, D.H., ed. (1985) Биология мутуализма: экология и эволюция, Oxford University Press.

2. 2.

   Маргулис, Л. и Фестер, Р., ред. (1991) Симбиоз как источник эволюционных инноваций, MIT Press

3. 3.↵
4. 4.↵
5. 5.
6. 6.
7. 7.
8. 8.
9. 9.
10. 10.
11. 11.↵
12. 12.↵
13. 13.↵
14. 14.
15. 15.
16. 16.
17. 17.↵
18. 18.↵
19. 19.
20. 20.↵
21. 21.↵
22. 22.
23. 23.↵
24. 24. ↵
25. 25.↵
26. 26.
27. 27.↵
28. 28.↵
29. 29.↵
30. 30.↵
31. 31.↵
32. 32.
33. 33.↵

    Bolyen, E. , Rideout, JR, Dillon, MR, Bokulich, NA, Abnet, C., Al-Ghalith, GA, Alexander, H., Alm, EJ, Arumugam, M., Асникар, Ф. и Бай, Ю. (2018). QIIME 2: Воспроизводимая, интерактивная, масштабируемая и расширяемая наука о данных микробиома (№ e27295v1). Препринты PeerJ.

34. 34.↵
35. 35.↵
36. 36.↵
37. 37.↵
38. 38.↵
39. 39.↵
40. 40.↵
41. 41.
42. 42.
43. 43.↵
44. 44.↵
45. 45.↵
46. 46.↵
47. 47.↵
48. 48.↵

Врожденный иммунитет в симбиозе кораллов

Исследование доктора Вайса сосредоточено на молекулярных взаимодействиях между динофлагеллятами и их кораллами-хозяевами — взаимоотношениях, лежащих в основе экосистемы кораллового рифа

Это делает исследование доктора Вайса еще более важным.Когда симбиоз между кораллом и его динофлагеллятами нарушается, динофлагеллаты покидают ткань коралла, в результате чего коралл становится «обесцвеченным», что влияет на процесс кальцификации коралла. Это, в свою очередь, влияет на способность кораллов создавать прочную структуру, что оказывает большое влияние на здоровье самого рифа. Если обесцвеченные кораллы не смогут восстановить симбиоз с динофлагеллятами, они умрут, что, в свою очередь, приведет к разрушению рифов. Однако один из наиболее важных вопросов в этой области заключается в том, покидают ли кораллы динофлагелляты при обесцвечивании или же их вытесняет сам коралл.
Морские анемоны
Кораллы — не единственные книдарии, которые имеют мутуалистические отношения с симбиотическими динофлагеллятами — есть также виды морских анемонов, которые имеют такие взаимодействия. Хотя они очень отличаются от кораллов и оказывают различные услуги окружающей среде, их легче выращивать в лабораторных условиях, чем сам коралл, и они также подвергаются обесцвечиванию. Таким образом, они представляют собой хорошую модель для изучения и понимания механизмов симбиоза между динофлагеллятами и книдариями.Это понимание потенциально может быть применено к кораллам, что будет способствовать дальнейшим усилиям по сохранению.
Взаимодействия на молекулярном уровне
Благодаря исследованиям доктора Вейс и ее коллег, теперь существует базовое понимание молекулярных процессов, ответственных за взаимодействие между кораллами-хозяевами и их симбионтами динофлагеллят. Было обнаружено, что симбионты живут в пищеварительном тракте коралла, внутри отделов пищеварительных клеток хозяина.
Здоровый риф на острове Херон, Большой Барьерный риф, 2008 г.© Ove Hoegh-Guldberg Изображение, полученное с помощью трансмиссионного электронного микроскопа, коралловой клетки, поглощающей динофлагеллату посредством фагоцитоза. Видны ложноножки, частично окружающие симбионта. Для накипи водоросль имеет диаметр около 10 микрон. У некоторых видов книдарий клетки динофлагеллат передаются потомству через мать, но в большинстве случаев водоросли проникают в хозяина после того, как он поселился в рифе. Но как эти два организма находят друг друга? На молекулярном уровне передача сигналов происходит между хозяином и симбионтом — у многих книдарий есть рецепторы, которые распознают молекулярные паттерны на клетках симбионта, позволяя им связываться друг с другом.Клетки-симбионты проникают в ткани хозяина посредством фагоцитоза — процесса, при котором клетки организма поглощают инородное тело и поглощают его телом самого организма. Считается, что это часть врожденной иммунной системы кораллов, которая распознает и уничтожает вредных захватчиков, а также идентифицирует и выращивает положительные чужеродные клетки.
Врожденный иммунитет
Набор генов, называемых «рецепторами мусорщиков» (SR), обладает способностью распознавать множество различных микробов и является частью врожденного иммунитета у всех животных — системы, ответственной за недифференциальную защиту от вредных микробов.В то время как люди также обладают генами SR для идентификации инвазивных и опасных микробов, было обнаружено, что книдарии имеют более широкий спектр таких генов, которые могут играть роль в распознавании симбиотических динофлагеллят хозяевами.
У позвоночных, таких как люди, «система комплемента» распознает и уничтожает микробы. Однако гены, участвующие в этом врожденном иммунном ответе, также были идентифицированы у анемонов и могли играть роль в симбиотических отношениях между книдариями и динофлагеллятами — хотя в настоящее время это неясно.

Исследования книдарий-динофлагеллат — захватывающая и развивающаяся область, которая окажется очень важной для понимания
основы функций рифов и кораллов

Важным компонентом иммунитета является толерантность к микробам, а также устойчивость к ним, и вещество, известное как «трансформирующий фактор роста бета» (TGFβ), способствует этой толерантности у позвоночных. Эти вещества также были обнаружены в анемоне Aiptasia pallida и используются для регулирования взаимодействия с динофлагеллятами.Когда к этим анемонам добавляли TGFβ, выделенный из людей, отбеливающая реакция, которая обычно возникала при воздействии тепла на животное, подавлялась.
Клетки динофлагеллят, попадая в книдарианские хозяева, «активируют» путь TGFβ. Этот процесс параллелен процессу некоторых одноклеточных паразитов, таких как Plasmodium , вызывающего малярию, и трипаносомы, вызывающей сонную болезнь. Если эти процессы будут поняты у анемонов, это может помочь улучшить понимание того, как эти паразиты проникают в организм человека, что позволит найти метод, способный уменьшить паразитарную инфекцию.
Конфокальная микроскопия пищеварительного эпителия Aiptasia крупным планом. Красный — это симбиотические водоросли от аутофлуоресценции хлорофилла, синий — это DAPI и окрашивание ядер животных, зеленый — краситель для актиновых нитей, окрашивающий ткани животных. Что касается накипи, то водоросли имеют диаметр около 10 микрон. Эта область находится на переднем крае исследований симбиоза книдарий и динофлагеллят и является захватывающей и развивающейся областью, которая окажется очень важной для понимания основ функций рифов и кораллов.Понимание этих процессов может помочь исследователям подавить реакцию кораллов на обесцвечивание и защитить от последствий изменения климата и окружающей среды.
Направление будущего
Дальнейшее понимание процессов, вовлеченных в эти симбиотические отношения, может помочь в выявлении процессов, лежащих в основе реакций кораллов на изменение окружающей среды и стресс, а также факторов, определяющих чувствительность кораллов к изменениям окружающей среды. Эти знания затем могут быть использованы для определения того, как разные виды кораллов могут реагировать на различные факторы стресса, включая изменение климата и глобальное потепление.В конечном итоге это будет способствовать дальнейшим усилиям по сохранению и защите этих важных видов.
Коралловые рифы поддерживают тысячи видов во всем мире, и учитывая, что множество рифов по всей планете находятся в критическом, обесцвеченном состоянии, исследования доктора Вайса невероятно важны для сохранения таких территорий в ближайшие годы.

Насколько важна связь между кораллами и динофлагеллятами для здоровья рифа?
Все рифообразующие кораллы симбиотичны с динофлагеллятами.И эти кораллы — деревья в лесах для коралловых рифов. Они составляют трофический и структурный фундамент экосистемы. Без кораллов нет коралловых рифов. Следовательно, здоровье симбиоза является важным и центральным для здоровья рифов.
Мы часто слышим сообщения о том, что здоровье рифов быстро ухудшается. В каком направлении, по вашему мнению, могут развиться будущие исследования для борьбы с этим?
Исследования должны быть сосредоточены на нескольких уровнях. Экологи сосредотачиваются на понимании особенностей коралловых рифов, которые повышают сопротивляемость и устойчивость к упадку.Биологи-заповедники изучают передовые методы восстановления рифов после стрессовых событий. Коралловые биологи, подобные мне, изучают молекулярные и генетические компоненты, которые помогают нам определить, могут ли кораллы противостоять воздействиям изменения климата и каким образом. Существуют ли определенные виды или популяции кораллов, устойчивые к стрессу? Можем ли мы разводить кораллы, которые улучшили физическую форму, в более теплых и кислых океанах?
Насколько схожи врожденные иммунные системы книдарийцев и людей с точки зрения иммунитета?
Очень похоже.Когда кто-то изучает геномы предковых организмов, таких как книдарии, и сравнивает их с высокоразвитыми организмами, такими как люди, можно обнаружить, что почти все гены, пути и механизмы врожденного иммунитета являются общими для этих очень отдаленно связанных организмов. Это говорит о том, что все они присутствовали у последнего общего предка до того, как эти организмы разошлись сотни миллионов лет назад. Со времени их расхождения модификации и разработки этих генов произошли в разных группах животных.Тем не менее, основное функционирование этих путей для атаки негативных захватчиков и воспитания и терпимости полезных микробов остается одинаковым между группами.
Насколько легко связать модели, основанные на морских анемонах, с кораллами и с какими проблемами сталкивается этот метод экспериментов?
Морские анемоны — очень мощные модели для изучения кораллов. Они имеют очень похожие геномы и во многих случаях содержат идентичных или очень близких симбионтов динофлагеллят.Основным ограничением использования морских анемонов в качестве моделей кораллов является отсутствие кальцинированного скелета. Следовательно, никакая биология, связанная с кальцификацией кораллов и влиянием закисления океана на биологию кораллов, не может быть изучена на морских анемонах. (По иронии судьбы отсутствие скелета является ключевым преимуществом анемонов как податливых лабораторных моделей, потому что экзоскелеты очень затрудняют изучение клеточной биологии.)
Как вы думаете, какое значение имеет ваше исследование для будущего коралловых рифов?
Мои исследования предоставляют важные фундаментальные знания о симбиозе, лежащем в основе здоровых кораллов.Вся прикладная и трансляционная наука и политика, направленные на сохранение и сохранение рифов для будущего, опираются на фундаментальные исследования, которые выполняются и выполняются сотнями коралловых биологов по всему миру.

Как кораллы максимально используют свои симбиотические водоросли? Новая работа показывает, как морские анемоны контролируют размер своих популяций водорослей, обитающих в их тканях — ScienceDaily

Кораллы зависят от их симбиотических отношений с водорослями, которые они содержат.Но как они сдерживают рост популяции водорослей? Ответ на этот фундаментальный вопрос может помочь рифам выжить в меняющемся климате.

Новая работа, опубликованная в Nature Communications командой, в которую входят Тингтинг Сян из Карнеги, Софи Клоуз, Рик Ким и Артур Гроссман, показывает, как морские анемоны, которые тесно связаны с кораллами, контролируют размер своих популяций водорослей, находящихся в их тканях. .

Подобно кораллам, анемоны содержат фотосинтетические водоросли, которые могут преобразовывать энергию Солнца в химическую энергию.Водоросль делится некоторыми сахарами, которые она производит, со своими хозяевами-анемонами или кораллами, которые, в свою очередь, обеспечивают водоросль другими необходимыми питательными веществами, такими как углекислый газ, фосфор, сера и азот.

Молекулярные механизмы, лежащие в основе этих отношений, остаются загадкой.

«Мы стремимся понять точные взаимодействия между водорослями и их хозяином, потому что, если популяции водорослей внутри хозяина исчезают — как это происходит во время событий обесцвечивания, вызванных потеплением или загрязнением океана — кораллы и анемоны теряют доступ к жизненно важным средствам существования и могут не выжить.С другой стороны, безудержный рост популяции симбиотических водорослей может перенапрягать метаболизм хозяев и сделать их восприимчивыми к болезням », — пояснил Гроссман.« Мы хотим понять, как кораллы и анемоны поддерживают баланс, который может помочь нам помочь находящимся под угрозой исчезновению рифовым сообществам. . «

Исследователи, включая Эрика Ленерта из Стэнфордского университета, Яна ДеНофрио и Джона Прингла, а также Роберта Джинкерсона из UC Riverside, показали, что ограничение подачи общего азота является ключом к способности анемона контролировать размер своей симбиотической популяции водорослей. .

Команда продемонстрировала, что когда популяции симбиотической водоросли Breviolum minutum, в которой обитает анемон Exaiptasia pallida, достигли высокой плотности, они экспрессировали повышенные уровни клеточных продуктов, специфически связанных с ограничением азота. Такое же поведение наблюдается у свободноживущих водорослей, которые растут вне хозяина, когда доступный азот в их среде становится недостаточным.

Важно отметить, что по мере увеличения популяции водорослей в тканях хозяина они доставляют анемонам все больше и больше сахаров, произведенных фотосинтезом.Затем анемоны могут использовать углеродные скелеты этих молекул для удержания и переработки азотсодержащих аммиачных отходов. Такое расположение приводит как к более устойчивому росту анемонов, так и к ограничению количества азота, доступного водорослям. Итак, команда продемонстрировала, что динамика обмена питательными веществами между водорослями и анемоном изменяется по мере увеличения популяции водорослей, что является ключом к пониманию контроля популяции водорослей в организме хозяина.

«Наша работа проясняет, как связь между анемонами и водорослями или кораллами и водорослями гарантирует, что эти симбиотические отношения остаются стабильными и полезными для обоих организмов-партнеров», — сказал ведущий автор Сян, который сейчас является доцентом UNC Charlotte.«Благодаря продолжающимся исследованиям мы надеемся еще лучше понять различные механизмы и специфические регуляторы, которые имеют решающее значение для интеграции метаболизма этих двух организмов, что в конечном итоге может позволить пересадить более выносливые водоросли в обесцвеченный коралл, а также управлять как кораллами, так и водорослями. иметь большую терпимость к неблагоприятным условиям ».

История Источник:

Материалы предоставлены Научным институтом Карнеги . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Тепловой стресс вызывает различные формы гибели клеток у морских актиний и их эндосимбиотических водорослей в зависимости от температуры и продолжительности

Бактерии могут объяснить симбиотические отношения анемонов и рыб-клоунов

Морские анемоны обычно убивают и едят рыбу. Но рыба-клоун, как в фильме «В поисках Немо», может прижаться к анемонам, не будучи ужаленной и съеденной; анемоны на самом деле защищают рыбу-клоуна. Исследователи давно пытались понять секрет этих симбиотических отношений.Работа, опубликованная в журнале Coral Reef учеными из Технологического института Джорджии, теперь показала, что когда рыба-клоун трутся о анемоны, сообщество микробов, живущих на поверхности рыбы, изменяется. Этот бактериальный обмен может быть причиной того, что анемоны позволяют рыбе-клоуну отдыхать в своих ядовитых щупальцах.

«Это знаковый мутуализм между хозяином и партнером, и мы знали, что микробы есть на каждой поверхности каждого животного», — сказал главный исследователь исследования Фрэнк Стюарт, доцент Школы биологических наук Технологического института Джорджии.«В этом особом мутуализме эти поверхности покрыты веществом, которое микробы любят есть: слизью».

В течение восьми недель исследователи изучали дюжину рыб-клоунов, обитавших в шести аквариумах. Когда рыба-клоун и анемоны контактируют друг с другом, они обмениваются большим количеством слизи. Ученые взяли образцы этой слизи, а затем использовали генетическое секвенирование, чтобы идентифицировать микробы, которые присутствовали в ней, когда рыба-клоун жила с анемонами, а когда нет. Затем они сравнили виды микробов, идентифицированные в образцах слизи в двух разных условиях.

«Их микробиом изменился», — рассказала Зои Пратте, научный сотрудник лаборатории Стюарта и первый автор исследования. «Две бактерии, которые мы отслеживали, в частности, размножались при контакте с анемонами».

«Вдобавок к этому произошли радикальные изменения», — отметил Стюарт. «Если вы посмотрите на все скопления микробов, то увидите, что они совсем по-разному выглядели на рыбе-клоуне, которую содержал анемон, и на той, которая не была».

Различные объяснения, такие как толщина слизи, иммунные антигены или химический обмен, были предложены для объяснения симбиоза между анемонами и рыбами-клоунами.Эта работа — новый взгляд на тайну.

«Это первый шаг, который задает вопрос:« Изменится ли какая-то часть микробных отношений? »», — сказал Стюарт. Эта работа свидетельствует о том, что да, есть изменения.

«Анемон может распознавать в рыбе-клоуне какое-то химическое вещество, которое не дает ей укусить», — сказал Стюарт. «И это могут быть микробы. Микробы — великие химики».

Еще неизвестно, изменяются ли микробы на рыбе из-за анемонов.Это может быть контакт, который изменяет микробиом, или какой-то еще неопределенный фактор.

Исследователи также обнаружили, что рыба-клоун может менять пол, живя в анемоне. «Когда их начинают принимать, у рыб происходит большой поворот в развитии», — сказал Стюарт. «Первая рыба в группе, которая обосновывается в анемоне в дикой природе, переходит от самца к самке, вырастает намного больше и становится доминирующим членом группы».

Анемоны тоже приносят пользу; они, кажется, становятся больше и здоровее, когда подвергаются воздействию мочи рыбы-клоуна.

«Когда рыба мочится, водоросли в анемоне поглощают азот, а затем выделяют сахар, который питает анемона и заставляет его расти», — объяснил Пратте. «Иногда рыба роняет пищу, и она падает в анемона, который ее поедает».

Исследователи продолжают изучение взаимоотношений. Далее они хотят узнать больше о химическом составе слизи.

Источники: AAAS / Eurekalert! через Технологический институт Джорджии, Коралловые рифы

AskNature — Биологическая стратегия — сложные взаимоотношения позволяют обеим сторонам процветать

Защитите от животных

Животные — организмы, от микроскопических до больших, чем автобус, — несут широкий спектр вреда для живых систем, включая других животных.Они угрожают своим хищничеством, травоядностью, защитой, паразитизмом и конкуренцией за ресурсы, такие как вода, питательные вещества и пространство. Любой конкретный живой организм обычно сталкивается с угрозами со стороны множества животных, и для этого требуются стратегии, обеспечивающие эффективную защиту от каждого из них. Например, форель и другая костная рыба спасаются от хищников благодаря тому, что их чешуя состоит из очень тонких, напоминающих чешуйки кусков кости, покрытых скользкой слизью. У них также есть поведенческие стратегии, такие как маскировка, быстрое плавание и скручивание и повороты, чтобы освободиться от хватки хищника.

Защитите от микробов

В живых системах микробы играют важную роль, например, разрушая органические вещества и поддерживая здоровье человека и всей системы. Но они также несут угрозу. Бактерии могут быть патогенами, вызывающими заболевания. Некоторые бактерии создают колонии, называемые биопленками, которые могут покрывать поверхности, снижая их эффективность, например, подавляя способность листьев к фотосинтезу. Живые системы должны иметь стратегии защиты от микробов, которые вызывают болезни или становятся настолько многочисленными, что создают дисбаланс в системе.В то же время живые системы должны продолжать жить в гармонии с другими микробами. Некоторые живые системы убивают микробы. Другие отталкиваются, не убивая, чтобы снизить вероятность того, что микробы приспособятся к смертоносной стратегии и станут к ней устойчивыми. Например, некоторые проростки гороха выделяют химическое вещество, которое препятствует образованию биопленки.

Coevolve

Множественные живые системы иногда имеют настолько тесную взаимосвязь, что в конечном итоге эволюционируют вместе; это называется совместным развитием. Коэволюция происходит, когда изменения в генетическом составе одной живой системы приводят к изменениям в другой.Коэволюция может быть результатом положительных взаимовыгодных отношений. Это также может быть результатом отрицательных отношений, например, между вирусом и его хозяином. Хозяин меняется, чтобы избежать вредного воздействия вируса, что, в свою очередь, вызывает изменение вируса, так что он может продолжать распространяться на хозяина и во времени.

Системы координат

От косяков рыб до птиц, вместе летящих по небу, откройте для себя множество способов, которыми природа координирует системы, составляющие наш мир.

Сотрудничайте / соревнуйтесь между разными видами

От паразитических до взаимовыгодных — существует целый спектр возможных взаимодействий между разными видами. Изучите различные способы взаимодействия видов и их соперничества в местах обитания за выживание.