Combined effects of light intensity and temperature on molecular and photophysiological responses of Sarcophyton cf. glaucum

Abstract

Coral reefs are considered one of the most biodiverse and productive ecosystems in the world, providing Humanity with many goods and services. Human population activities have led to an increase in greenhouse gas emissions to the Earth’s atmosphere leading to extreme weather events, like Marine Heatwaves (MHWs), especially in tropical regions. This phenomenon is capable of leading to coral reefs decay associated with bleaching events, causing mortality and loss of reef structure. In interaction with other stress factors, like high light intensity, high temperature effects can be even more severe over coral reefs. In the present study we evaluated the performance and the molecular and photophysiological responses of the soft coral Sarcophyton cf. glaucum under different global change scenarios, by studying the influence of two main factors: temperature and light intensity. Coral fragments, collected around the Indonesian sea, were experimentally exposed to different treatment scenarios: two light intensities (high light, low light, 663 and 253 μmol m-2 s-1, respectively) and two temperatures (26 and 32 °C, representing a heatwave) in a full factorial design, considering low light and 26 °C as control conditions. First, fragments were photoacclimated for 30 days (Time-point 2), and then a heatwave (Time-point 3) scenario was simulated for 10 days, where the temperature was increased (at 1 ˚C h-1) until 32 °C. Subsequently, corals were returned to control temperature and allowed to recover for 30 days (Time-point 4). Coral fragments were sampled at each time-point and photophysiological parameters - maximum quantum yield of photosystem II (Fv/Fm), a measurement of photosynthetic activity, dark-level fluorescence (F0), as a proxy of chlorophyll a content, number of symbionts as bleaching indicator, and stress-related biomarkers (Total protein, Superoxide dismutase (SOD), Glutathione-S-transferase (GST), Catalase (CAT), Lipid peroxidation (LPO), Heatshock protein 70 kDa (Hsp70), Ubiquitin (Ubi) and Total Antioxidant Capacity (TAC) - were assessed in the holobiont. Sarcophyton cf. glaucum was physiologically compromised, since Fv/Fm, F0 and the number of endosymbionts were significantly affected by the factors imposed. Specifically, Fv/Fm was the most affected parameter, being the only one influenced by the two stressors and their interaction, reflecting the photodamage that occurred in symbionts’ PSII, responsible for a decrease in the photosynthetic activity. F0 and the number of symbionts were affected only by light and temperature, respectively. Although these two parameters are correlated (a decrease in one represents a decrease in the other), this did not happen: F0 decreased while the number of symbionts maintained its levels under high light. This finding could indicate that Chlorophyll a levels per zooxanthellae were changing according to light, with no expulsion of the symbionts by the coral host. However, zooxanthellae loss did occur under heat stress and persisted even after 30 days of recovery. Regarding the molecular parameters, antioxidant enzymes were the main mechanism of the Cellular Stress Response to act. SOD, GST, and CAT suffered an increase in response to a heat stress, probably due to a high concentration of ROS in symbionts cells, counteracting its effects. Temperature had the highest effect over the biomarkers, while light intensity only affected SOD and CAT. However, high light intensity, instead of leading to an increase in these enzymes (expected since stress leads to a ROS production), it led to their decrease. This can be explained by an exhaustion of the antioxidant production system in response to a high light stress. For the protein quality control mechanism, while Ubi increase facing heat stress may represent protein damage, where misfolded proteins are tagged for proteasome degradation, the lack of change in Hsp70 facing stress can be considered an adaptation mechanism of some coral species. After the 1-month recovery period, most biomarkers returned to control values, while in the photophysiological parameters only F0 recovered. The main conclusion is that S. cf. glaucum was most affected at the physiological level, with their symbionts not being able to maintain their photophysiological performance needing more than 1 month to photosynthetically recover. However, most biomarkers returned to control levels, suggesting some level of molecular plasticity regarding heat stress. Bleaching indeed occurred, seen by the decrease in the photophysiological parameters (F0 and Number of symbionts). This phenomenon was prevalent in corals exposed to combined heat and high light stress (32 °C_HL), but also on low light under the thermal regime of 32 ˚C. Future studies of climate change should focus more on soft corals at both the molecular and photophysiological levels to better understand how temperature and light interact with each other. Moreover, studies that address multi-omics techniques and tools for reef conservation, namely assisted evolution ones, should also be developed to create more effective measures of conservation and recovery of corals around the world, contributing to the preservation of the oceans.

Os recifes de coral são considerados um dos ecossistemas mais bio diversos e produtivos do mundo, fornecendo à Humanidade muitos bens e serviços. As atividades da população humana levaram a um aumento nas emissões de gases de efeito estufa para a atmosfera da Terra, levando a eventos climáticos extremos, como ondas de calor marinhas (MHWs), especialmente em regiões tropicais. Este fenômeno é capaz de levar ao declínio dos recifes de coral associado a eventos de branqueamento, causando mortalidade e perda da estrutura do recife. Em interação com outros fatores de stress, como uma elevada intensidade luminosa, os efeitos da alta temperatura podem ser ainda mais severos sobre os recifes de coral. No presente estudo, avaliámos o desempenho e as respostas moleculares e fotofisiológicas do coral mole Sarcophyton cf. glaucum sob diferentes cenários de mudanças globais, estudando a influência de dois fatores principais: temperatura e intensidade luminosa. Fragmentos de coral, recolhidos ao redor do mar da Indonésia, foram experimentalmente expostos a diferentes tratamentos: duas intensidades de luz (luz alta, luz baixa, 663 e 253 μmol m-2 s-1, respetivamente) e duas temperaturas (26 e 32 °C, representando uma onda de calor) num design fatorial completo, considerando baixa luminosidade e 26 °C como as condições de controlo. Primeiramente, os fragmentos foram fotoaclimatados por 30 dias (“Time-point 2”), e de seguida, uma onda de calor (“Time-point 3”) foi simulada por 10 dias, onde a temperatura foi elevada (a 1 ˚C h-1) até 32 °C. Posteriormente, os corais voltaram à temperatura controlo, com 30 dias para recuperação (“Time-point 4”). Estes fragmentos foram amostrados em cada “Time-point” e parâmetros fotofisiológicos - rendimento quântico máximo do fotossistema II (Fv/Fm), uma medição da atividade fotossintética, fluorescência de nível escuro (F0), como um proxy do conteúdo de clorofila a, número de simbiontes como indicador de branqueamento, e biomarcadores relacionados com o stress (Proteína total, Superóxido dismutase (SOD), Glutationa-S-transferase (GST), Catalase (CAT), Peroxidação lipídica (LPO), Proteína de choque térmico 70kDa (Hsp70), Ubiquitina (Ubi ) e Capacidade Antioxidante Total (TAC) - foram avaliados no holobionte. O coral Sarcophyton cf. glaucum revelou-se fisiologicamente comprometido, uma vez que Fv/Fm, F0 e o número de endossimbiontes foram significativamente afetados pelos fatores impostos. Especificamente, Fv/Fm foi o parâmetro mais afetado, sendo o único influenciado pelos dois fatores e também pela sua interação, refletindo o dano fotossintético ocorrido no PSII dos simbiontes, responsável por uma diminuição da atividade fotossintética. F0 e o número de simbiontes foram afetados apenas pela luz e temperatura, respetivamente. Embora estes dois parâmetros estejam correlacionados (uma diminuição num representa uma diminuição no outro), isso não aconteceu: F0 diminuiu enquanto o número de simbiontes manteve os seus níveis sob luz forte. Esta descoberta pode indicar que os níveis de clorofila a por zooxantela mudaram consoante a luz imposta, sem expulsão dos simbiontes pelo hospedeiro. No entanto, a perda de zooxantelas ocorreu sob stress térmico e persistiu mesmo após 30 dias de recuperação. Em relação aos parâmetros moleculares, as enzimas antioxidantes foram o principal mecanismo de ação da resposta celular ao stress. SOD, GST e CAT aumentaram em resposta ao stress térmico, provavelmente devido à alta concentração de ROS nos simbiontes, neutralizando os seus efeitos. A temperatura teve o maior efeito sobre os biomarcadores, enquanto a intensidade da luz afetou apenas a SOD e a CAT. No entanto, a alta intensidade luminosa, em vez de levar a um aumento destas enzimas (esperado uma vez que o stress leva à produção de ROS), levou à sua diminuição. Isto pode ser explicado por um esgotamento do sistema de produção das enzimas antioxidantes em resposta a um alto stress luminoso. No caso dos mecanismos de controlo de qualidade de proteínas, enquanto o aumento de Ubi perante o stress térmico pode representar danos proteicos, onde proteínas desnaturadas são direcionadas para degradação no proteossoma, a falta de alterações na Hsp70 perante o stress pode ser considerada um mecanismo de adaptação de algumas espécies de coral. Após o período de recuperação de 1 mês, a maioria dos biomarcadores voltou aos valores de controlo, enquanto nos parâmetros fotofisiológicos, isto apenas aconteceu com F0. A principal conclusão é que S. cf. glaucum foi mais afetado ao nível fisiológico, não tendo os seus simbiontes capacidade de manter o seu desempenho necessitando de mais de 1 mês para se recuperar fotossinteticamente. No entanto, a maioria dos biomarcadores voltou aos níveis controlo, sugerindo algum nível de plasticidade molecular em relação ao stress térmico. O branqueamento ocorreu, comprovado pela diminuição dos parâmetros fotofisiológicos (F0 e Número de simbiontes). Este fenômeno foi prevalente em corais expostos à combinação de calor e alta intensidade luminosa (32 °C_HL), mas também em baixa luz sob o regime térmico de 32 ˚C. Estudos futuros sobre alterações climáticas devem concentrar-se mais em corais moles e nos níveis molecular e fotofisiológico para entender melhor como a temperatura e a luz interagem entre si. Além disso, estudos que abordem técnicas e ferramentas multi-ómicas para a conservação de recifes, nomeadamente de evolução assistida, também devem ser desenvolvidos de forma a criar medidas mais eficazes de conservação e recuperação de corais em todo o mundo, contribuindo para a preservação dos oceanos.