Het is algemeen bekend dat koralen op het rif zich elk jaar synchroon voortplanten, net na de volle maan in juli/augustus (Caraïbische riffen) en november (Great Barrier Reef). Wetenschappers geloven dat dit proces gereguleerd wordt door maancycli, aangezien koralen altijd enkele dagen na volle maan gameten produceren. Maar hoe nemen koralen maanlicht waar, en hoe reageren ze erop?

Lichtgevoelige eiwitten

Recentelijk hebben wetenschappers¹ bepaald dat twee lichtgevoelige eiwitten, cryptochroom 1 en 2 genaamd (CRY1 en CRY2), koralen in staat stellen licht waar te nemen. Deze eiwitten zijn erg gevoelig voor blauw licht, dat wordt uitgezonden door de zon, maar vooral door de maan. Zij ontdekten dat deze eiwitten door het koraal Acropora millepora (figuur 1) vooral overdag geproduceerd werden, en ‘s nachts slechts in kleine hoeveelheden.

Figuur 1: Acropora millepora, een koraal wat lichtgevoelige eiwitten produceert (foto: Michael de Regt).

De wetenschappers stelden het koraal bloot aan een dag/nacht-cyclus en een continue donkerperiode. Figuur 2 laat zien dat A. millepora op licht reageerde door veel van het CRY1 eiwit te produceren. Deze productie daalde na enkele uren, om net voor zonsopgang weer te stijgen. Wanneer de koralen continu in het donker werden gehouden was CRY1 eiwitproductie onregelmatig. Dit toont aan dat koralen zich hebben aangepast aan dag/nacht-cycli, aangezien zowel een licht- als donkerperiode nodig is om volgens een vast ritme cryptochromen te produceren.

Figuur 2: cry1 genexpressie (die tot CRY1 eiwitproductie leidt) van A. millepora in donker/licht-cycli (blauwe lijn) en in het donker (rode lijn). De wetenschappers namen weefselmonsters op verschillende tijden gedurende de dag en nacht. CRY1 expressie nam toe tijdens de dag, ’s nachts was de productie laag. Hetzelfde gold voor CRY2 expressie, die overdag ook veel hoger was dan ’s nachts. De rode lijn toont dat er zonder een dag/nacht-cyclus geen stabiel eiwitexpressie- ritme aanwezig is (wat betekent dat het koraal dan simpelweg niet weet of het dag of nacht is) (O. Levy et al, Science, 2007).

Deze resultaten laten zien dat koralen (zon)licht kunnen waarnemen, en hierop reageren door de productie van CRY1 en CRY2 op te voeren. De wetenschappers bepaalden vervolgens of de koralen ook maanlicht konden waarnemen. Inderdaad nam CRY2 expressie toe tijdens volle maan, wat aantoonde dat zij daadwerkelijk in staat waren om maanlicht waar te nemen en erop te reageren (figuur 3).

Figuur 3: cry2 genexpressie (die tot CRY2 eiwitproductie leidt) gedurende nieuwe en volle maan in augustus/september 2005. CRY2 expressie verdubbelde rond middernacht, bij maanlicht. Om 18:00u ’s avonds was er geen verschil in CRY2 expressie tijdens nieuwe en volle maan. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat de zon dan nog niet is ondergegaan (O. Levy et al, Science, 2007).

De wetenschappers onderzochten verder in welk deel van het koraalweefsel deze eiwitten werden geproduceerd. Figuur 4 laat zien dat cryptochroom 1 en 2 geproduceerd worden in het ectoderm van zowel volwassen A. millepora als planula larven. Dit is een normaal productiepatroon voor lichtgevoelige eiwitten, omdat dit gedeelte van het koraalweefsel als eerst door licht wordt geraakt. De wetenschappers denken dat deze eiwitten de koralen signaleren zichzelf te beschermen tegen UV-straling, en dat ze tevens de jaarlijkse voortplanting reguleren. Het is bekend dat maancycli corresponderen met waterstromingen, en het lijkt erop dat koralen het liefst hun ei- en spermacellen produceren bij lage stroming.

Figuur 4: cry1 en cry2 genexpressie in koraalweefsel. C: controle om de specificiteit van de test aan te tonen. D: CRY2 wordt geproduceerd in het ectoderm van A. millepora larvaal weefsel (bruine kleur). E: CRY1 eiwit localisatie in het ectoderm van volwassen A. millepora koralen. F: uitvergroting van E. Ec, ectoderm; en, endoderm; mes, mesoglea. Schaal 50 mm (zwarte balk rechtsonder). Rode pijlen markeren hofe mate van expressie in D tot F; de rechthoek toont één cel in het ectoderm (O. Levy et al, Science, 2007).

Waarom bestaan cryptochromen?

Waarom bestaan cryptochromen eigenlijk? Biologen denken dat cryptochromen Circadiaanse ritmes reguleren. Veel planten en dieren kunnen zichzelf aanpassen aan verschillende dag/nacht cycli, en deze resultaten laten zien dat ook koralen dit kunnen. Dit onderzoek levert een duidelijke aanwijzing dat Circadiaanse ritmes miljoenen jaren geleden zijn geëvolueerd.  Koralen tonen duidelijke reacties op maan- en zonlicht, die hen mogelijk in staat stellen zich te beschermen tegen UV licht en zich gecoördineerd voort te planten.

Cryptochromen worden ook aangetroffen in insecten en zoogdieren; ook de twee cryptochromen bij zoogdieren spelen een belangrijke rol in het genereren en handhaven van Circadiaanse ritmes. Een recente studie suggereert dat cryptochromen trekvogels en fruitvliegen in staat stellen te navigeren door magnetische velden waar te nemen. Andere theorieën suggereren dat deze eigenschap latent aanwezig is bij alle zoogdieren. Het feit dat koralen deze eiwitten al kunnen aanmaken, toont wederom aan hoe complex deze dieren zijn.

Referenties:

O. Levy, L. Appelbaum, W. Leggat, Y. Gothlif, D. C. Hayward, D. J. Miller, O. Hoegh-Guldberg, Light-Responsive CRYptochromes from a Simple Multicellular Animal, the Coral Acropora millepora (2007) Science 318 (5849): 467–470

Roenneberg, T.; Foster R.G. (1997). "Twilight times: light and the circadian system". Photochem. Photobiol. 66: 549–561

Foster, R.G. (1998). "Shedding light on the biological clock". Neuron 20: 829–832.

Heyers, Dominik; Martina Manns, Harald Luksch, Onur Güntürkün, Henrik Mouritsen (2007). "A visual pathway links brain structures active during magnetic compass orientation in migratory birds". PLoS ONE 2 (9)