Оценка нынешнего понимания влияния изменения климата на физиологию кораллов после трех десятилетий экспериментальных исследований

Биология связи, том 5, Номер статьи: 1418 (2022) Цитировать эту статью

1567 Доступов

11 Альтметрика

Подробности о метриках

После трех десятилетий исследований кораллов о влиянии изменения климата существует широкий консенсус относительно неблагоприятных последствий теплового стресса, но последствия закисления океана (ОА) еще недостаточно изучены. Используя обзор опубликованных исследований и экспериментальный анализ, мы подтверждаем значительный видоспецифичный компонент реакции ОА, который прогнозирует умеренное воздействие на физиологию и пигментацию кораллов к 2100 году (сценарий-B1 или SSP2-4.5), в отличие от серьезного воздействия на физиологию и пигментацию кораллов к 2100 году (сценарий-B1 или SSP2-4.5), возмущения, вызванные тепловой аномалией всего +2 °C. Соответственно, глобальное потепление представляет большую угрозу для кальцификации кораллов, чем ОА. Неполное понимание умеренной реакции ОА основано на недостаточном внимании к ключевым регуляторным процессам этих симбиозов, особенно к метаболической зависимости кальцификации кораллов от фотосинтеза водорослей и дыхания хозяина. Наша способность предсказывать будущее коралловых рифов зависит от правильного определения основных целей и/или процессов, на которые влияют стрессоры изменения климата.

Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, вызванное деятельностью человека, приводит к повышению температуры океана и снижению pH морской воды в океане. В совокупности глобальное потепление и закисление океана (ОА) считаются основными глобальными угрозами морским экосистемам1. Особенно страдают коралловые рифы2, поскольку температурные аномалии на +1–2 °C выше среднего регионального максимума летом считаются основной причиной серьезной потери пигментации кораллов3,4 и функционирования симбиоза5. Это явление, известное как обесцвечивание кораллов, является причиной массовой гибели кораллов4,6, имеющей драматические последствия для коралловых рифов1,4,7. Прогнозируется, что обесцвечивание кораллов увеличится как по степени, так и по частоте в результате изменения климата6. Воздействие ОА, возникающее в результате удвоения доиндустриальной концентрации pCO2 до 560 частей на миллион, также предсказывает 40%-ное снижение кальцификации кораллов к 21002,8 году. Однако, хотя существует широкое согласие относительно влияния термического стресса на индукцию обесцвечивания кораллов4,5,9,10,11, влияние ОА на физиологию кораллов четко не установлено (Таблица 1, Дополнительная информация-SI, Таблица С1).

Обесцвечивание кораллов вызвано большим накоплением фотоповреждения, вызванного светом, у симбионтов во время теплового стресса, о чем свидетельствует снижение максимальной фотохимической эффективности (Fv/Fm), и этому предшествует серьезная потеря фотосинтетической эффективности кораллов, включая снижение коралловая пигментация и симбионты9,10,11,12. Хотя снижение Fv/Fm и пигментации кораллов обычно используются в качестве индикаторов обесцвечивания кораллов, «обесцвеченный фенотип» возникает только в конце физиологического нарушения13,14 и выражает дисфункциональное состояние симбиотической ассоциации, обнаруживаемое, как и ранее. предложено путем полного подавления фотосинтеза кораллов5,13. Начало теплового стресса определяется температурным порогом, известным как «температура разрыва Аррениуса» (АТТ)15, выше которого фотосинтез кораллов5,16,17 и кальцификация5,16,18 уменьшаются с температурой. Подобный переломный момент для дыхания кораллов при этой температуре не был зарегистрирован5. При температуре ниже АБТ воздействие повышенных температур обычно полезно для всех показателей метаболизма, поскольку они ускоряют ферментативные процессы. Значения ABT и температурного коэффициента Q10 (т.е. коэффициента, на который увеличивается скорость метаболического процесса на каждые 10 градусов повышения температуры) симбиотических кораллов варьируются в зависимости от вида, метаболических процессов и акклиматизационного фенотипа организмов5. .

Реакция кораллов на ОА менее изучена19 (Таблица 1, SI-Таблица-S1). Поглощение CO2 поверхностью океана изменяет химический состав морской воды, что приводит к снижению pH и состояния насыщения арагонита (?arag)19. Первоначально было документально подтверждено, что ОА влияет на процесс биоминерализации у широкого спектра морских кальцифицирующих организмов20, включая планктонные кокколитофориды20, фораминиферы20, ракообразные21, моллюски21, коралловые водоросли21,22,23 и кораллы23,24,25. Однако дальнейшие исследования начали подвергать сомнению такое неблагоприятное воздействие ОА на морскую кальцификацию26,27. Было обнаружено, что изменения ?arag положительно коррелируют со снижением кальцификации кораллов28, но позже было обнаружено, что это снижение связано с изменениями pH морской воды и pCO2, а не с ?arag как таковым29. Другие исследования не сообщили об отсутствии снижения кальцификации кораллов или даже ее стимуляции в условиях ОА (Таблица 1, SI-Таблица-S1). Мета-анализ почти десять лет назад пришел к выводу, что ОА не влияет на фотосинтез кораллов, и выявил широкий видоспецифичный компонент этой реакции30. Экспериментальный анализ комбинированного воздействия повышенной температуры и ОА выявил большое разнообразие реакций кораллов31,32,33 с противоречивой ролью температуры в модуляции воздействия ОА17,25,33,34. Совсем недавно новый метаанализ пришел к выводу, что дополнительный эффект ОА в условиях усиления морских волн тепла приведет к большему воздействию на фотосинтез и выживаемость кораллов35. К сожалению, ограниченное количество исследований охарактеризовало скорость фотосинтеза и кальцификации одновременно, несмотря на известную зависимость кальцификации кораллов от продуктов фотосинтеза, таких как глицерин, глюкоза и кислород36,37. Наш обзор литературы раскрывает неполный анализ и частичные представления большинства экспериментальных характеристик (таблица 1), которые могут объяснить все еще недостаточные знания о влиянии ОА на физиологию кораллов.

0.05) was only measured for P. strigosa and M. cavernosa, whereas O. annularis still maintained 13% and 6% of the control photosynthetic activity in the two heat-stress treatments, despite its large Chla and symbiont losses (Figs. 2 and 3). The most tolerant species to heat-stress was O. faveolata, which was able to maintain 33% of Pmax after 10 days of stress exposure (Figs. 2 and 3). Significant adverse impacts of heat-stress were also observed on the respiration rates of M. cavernosa (42%) and O. annularis (36%; Fig. 2; SI-Table S5). The ratio of Pmax to RL (P/R) ranged from 1.96 in O. annularis to 2.3 in O. faveolata, and did not change during the experiment in the control treatment and with increasing levels of CO2 under control temperature (Fig. 2). However, P/R showed dramatic reductions in all heat-stressed corals, with values significantly lower than 1 (Fig. 2; SI-Tables S4, S5). The largest reductions (91–80%) were measured for P. strigosa, M. cavernosa, and O. annularis. O. faveolata, with a 66% reduction, could maintain P/R values not significantly different from 1 after 10 days of exposure to heat-stress./p> 0.01). For M. cavernosa, there was significant decalcification activity after exposure to the combined treatment (Fig. 2; SI-Table S5). A statistically significant additive interaction between heat-stress and OA for coral calcification was only found for O. annularis (140% reduction; two-way ANOVA, p < 0.05; Figs. 2 and 3; Table S4), resulting in substantial carbonate dissolution activity in both heat stress treatments. Globally, the impact of OA alone on coral calcification was less severe than that found for heat-stress and more variable among species with no consistent pattern (Fig. 3). Using a PCA, we identified two types of responses to OA (Fig. 4a; SI-Table S6). The first was represented by the eight samples analyzed of O. annularis and M. cavernosa (i.e., 4 replicates per species), and one sample of O. faveolata. The second was represented by all four samples of P. strigosa and two samples of O. faveolata. (Fig. 4a). The fourth replicate of O. faveolata showed very low values in all descriptors, suggesting a particular low performance for this sample independently of the treatment applied. According to this variability, the first group was characterized by slight increases in Gmax (21.8% ± 10.2; t-test = 2.5; df = 8; p < 0.006) and no change in Pmax despite small reductions in pigmentation and symbiont content (−26.1% ± 6.4 and −17.3% ± 7.0, respectively; Fig. 4b; t-tests = −4.7; −2.99; df = 8; p < 0.02). Such decreases in pigmentation under low pH, however, were not significant for any species, when comparing the variability among species (Figs. 2, 3B; SI-Table S5). For the second cluster defined by the PCA formed by P. strigosa and two samples of O. faveolata, the effect of OA resulted in increases in symbiont content and Pmax (Fig. 4b; 43.7% ± 11.8 and 57.2% ± 12.1, respectively, t-tests = 3.7, 4.7; df = 5; p < 0.02), whereas Gmax showed slight reductions (−26.8 ± 4.2%; t-test = −6.4; df = 5; P < 0.002; Fig. 4b). The large variability showed by O. faveolata indicates that the four replicates used in this analysis were insufficient to characterize its OA response. Non-significant changes in symbiont density were estimated for this species, although both Chla density and Ci decreased slightly (Fig. 2)./p>

Новости

Оценка нынешнего понимания влияния изменения климата на физиологию кораллов после трех десятилетий экспериментальных исследований