Een groot aantal mariene organismen leeft met andere soorten in symbiose, waarbij mutualisme de meest voorkomende vorm is. De overheersende symbiotische samenwerking is die tussen ongewervelden en zoöxanthellen. Recente studies laten zien hoe deze prachtige samenwerking in een vroeg stadium tot ontwikkeling komt.

Voor wat hoort wat

Mutualisme is een veel voorkomend verschijnsel in de mariene ecosystemen, en de reden hiervoor is dat het de overlevingskansen voor beide partijen vergroot. Krabben beschermen koralen tegen doornzeesterren, poetsgobies verwijderen parasieten van de huid van doktersvissen en pistoolgarnalen helpen vele soorten gobies door het graven van een hol terwijl de vis op de uitkijk staat voor voedsel en vijanden.

Figuur 1, rechts: Een groot aantal soorten zeedieren heeft een symbiotische relatie gevormd. Een mooi voorbeeld zijn Tridacna schelpen die zoöxanthellen huisvesten in hun mantels (foto: Tim Wijgerde).

Een zeer bekend voorbeeld van mutualisme is de samenwerking tussen zeedieren en algen; foraminiferen, radiolaria, naaktslakken, kwallen, anemonen, Tridacna schelpen (fig. 1) en natuurlijk koralen hebben een samenwerkingsverband ontwikkeld met algen van het genus Symbiodinium. Deze zogenaamde zoöxanthellen voorzien de dieren van suikers, waarmee tot 95% van de energiebehoefte wordt gedekt ^1,2,3. Omgekeerd ontvangen de algen ammonium en andere nutriënten van hun gastheer en een veilige verblijfplaats.

Enkele jaren terug begon de wetenschap te begrijpen hoe de unieke samenwerking tussen koralen en algen elke nieuwe generatie tot stand kwam. Men ontdekte dat veel koraalsoorten algen uit hun omgeving opnemen tijdens het larvale stadium; dit noemt men horizontale transmissie. Ook is het inmiddels duidelijk van ongeveer 15% van alle koraalsoorten zoöxanthellen doorgeeft aan het nageslacht; dit heet verticale transmissie. Deze laatste vorm komt veel voor bij soorten die hun embryo’s ‘uitbroeden’, en hun larven pas tijdens de ontwikkeling loslaten. Voorbeelden zijn Stylophora pistillata, Pocillopora damicornis  en Xenia macrospiculata⁸.

Beide overdrachtsmethoden hebben bepaalde voor- en nadelen. Bij verticale transmissie profiteert de koraallarve meteen van deze nuttige algen, terwijl horizontale transmissie larven de mogelijkheid geven algen op kan nemen die zijn aangepast aan een specifiek milieu. Sommige koralen, zoals Montastrea faveolata/annularis, huisvesten zelfs twee soorten algen tegelijkertijd^4,5.

De start van een mooie samenwerking

Koralen kunnen op diverse manieren zoöxanthellen opnemen; ten eerste kunnen zoöxanthellen worden opgenomen door het zich ontwikkelende ei of embryo. Ten tweede kunnen zoöxanthellen worden opgenomen door de huidlaag van het koraal, het ectoderm genaamd, waarna ze migreren naar het endoderm. Beide mechanismen komen voor bij de kwallensoort Linuche unguiculata; zowel embryo’s als jonge, niet-voedende larven zijn in staat om geïnfecteerd te raken met handmatig toegevoegde zoöxanthellen. Ten derde kunnen zoöxanthellen rechtstreeks worden opgenomen door endodermale cellen. Dit is waargenomen in de poliepen van de bijzondere kwallensoort Cassiopeia xamachana. In dit laatste geval komen de zoöxanthellen binnen via de mond van de gastheer en worden ze opgenomen in de endodermale cellen die grenzen aan de gastrovasculaire holte van de poliep.

Fungia scutaria

Deze laatste manier van opname werd ook waargenomen bij Fungia scutaria, een ‘paddenstoel’ koraal dat voorkomt in het Indo-Pacifisch gebied. Voor dit onderzoek werden 75 volwassen exemplaren van Fungia scutaria verzorgd in zeewatersystemen van het Hawaii Institute of Marine Biology op Coconut Island, Kaneohe Bay, Hawaii. Deze soort laat meestal ei- en zaadcellen los tussen 17:00-19:00 uur, 2 tot 4 dagen na volle maan in juni en augustus. Eicellen werden in kleine glazen schalen bevrucht met spermacellen van mannelijke kolonies. Gedurende de volgende dagen werden de larven in leven gehouden door regelmatige waterverversingen. Zoöxanthellen werden geïsoleerd uit het weefsel van de ouderdieren, welke vervolgens werden gebruikt om de larven te infecteren. De opname van zoöxanthellen is namelijk vergelijkbaar met een infectie; gastheren zoals koralen herkennen de ‘vingerafdruk’ van zoöxanthellen net zoals witte bloedcellen virussen en bacteriën herkennen. Het verschil is natuurlijk dat het koraalweefsel deze indringers toelaat.

Figuur 2, links: Diverse stadia van de ontwikkeling van F. scutaria. Boven: 2 dagen oude planula larve, voordat de mond is ontwikkeld. De ciliën, waarmee de koralen kunnen zwemmen, zijn inmiddels duidelijk zichtbaar. Midden: 3 dagen oude, etende larve met slijmproductie waarin voedseldeeltjes vastzitten (m=mond, mf=slijm met voedseldeeltjes, z=zoöxanthellen). Onder: poliep met tentakels, 6 dagen na hechting op substraat. Zoöxanthellen zijn zichtbaar als gouden cirkels, de lengte en diameter van de larve en poliep zijn 100 µm (Schwarz et al, Biol. Bull, 1999).

Het voedingsgedrag van de larven werd gestimuleerd door een extract van Artemia naupliën toe te voegen. Vervolgens werd met behulp van microscopie de ontwikkeling van de dieren en  de opname van zoöxanthellen gevolgd. Twaalf uur na bevruchting waren de larven zichtbaar ontwikkeld; ze waren inmiddels bedekt met ciliën, waarmee ze zich langzaam konden voortbewegen (fig. 2 bovenaan). Na 24 uur zwommen de larven actief rond en op dag 3 was de orale porie, of mond, ontwikkeld. Zodra de larven werden blootgesteld aan het Artemia-extract stopten ze met zwemmen en zakten ze naar de bodem. De larven begonnen zich te voeden met diverse partikels, inclusief zoöxanthellen (fig. 2). Sommige larven hervatten hun zwemgedrag terwijl ze slijm produceerden, waarin nog meer zoöxanthellen werden gevangen (fig. 2b). Na 4 dagen namen de larven een balvorm aan en kropen over de bodem. Op dag 5 veranderden ze in een vulkaan-vormige poliep zonder tentakels; deze ontwikkelden zich pas een dag later (fig. 2c en 3).

De wetenschappers experimenteerden verder met zoöxanthellen van verschillende organismen; de larven ontvingen symbiotische algen van de anemoon Aiptasia pallida (glasanemonen) en Cassiopeia xamachana. Deze algen kwamen uit drie verschillende claden zooxanthellen; A (C. xamachana), B (A. pallida) en  C (volwassen F. scutaria). Het bijzondere was dat de larven geen problemen hadden met het opnemen en vasthouden van deze verschillende zoöxanthellen, hoewel uit een andere studie bleek dat  de larven een grotere voorkeur hebben voor type C1f⁹. Larven die geen zoöxanthellen opnamen hechtten veel minder goed aan substraat, maar ondergingen alsnog een normale metamorfose (figuur 3). Deze bevinding onderstreepte opnieuw hoe belangrijk zoöxanthellen zijn voor koralen. 

Larven zonder zoöxanthellen stierven meestal in het ‘bal’ stadium, voor de hechting op substraat. Een jaar later ontdekten de wetenschappers dat dit door een relatief hoge temperatuur werd veroorzaakt. Bij een normale temperatuur was zelfs de hechting van larven met zoöxanthellen laag. Het lijkt erop dat wanneer de temperatuur de blekingsgrens bereikt (rond 29-32 °C), larven met zoöxanthellen een grotere overlevingskans hebben.

De onderzoekers stelden ook de mate vast waarin zoöxanthellen werden opgenomen; na dosering met Artemia-suspensie was dit bij 96,8% van de larven het geval. Zonder deze behandeling nam slechts 25% van de larven zoöxanthellen op. Het lijkt erop dat een hoge concentratie eiwitten/aminozuren (in dit geval afkomstig van de Artemia-suspensie) de larven stimuleert tot voedselopname. In de natuur bevinden deze larven zich in een ‘poel’ van diverse typen plankton, die mogelijk een stimulerende werking hebben op het voedingsgedrag. Dit stimuleert waarschijnlijk ook de opname van symbionten/zoöxanthellen. Het is ook bekend dat anemonen slijm produceren wat rijk is aan zoöxanthellen, vooral tijdens de voortplantingsfase^6,7. Mogelijk helpt dit de larven van deze dieren om algen uit het water op te nemen.

Figuur 3, A: Verschillende ontwikkelingsstadia van Fungia larven. B: Percentage F. scutaria larven tijdens verschillende stadia van ontwikkeling na bevruchting Rechts: Het effect van de opname van zoöxanthellen op de hechting op substraat. Zonder symbiontische algen hechtten de larven van F. Scutaria zich niet goed (aangepast uit Schwarz et al, Biol. Bull, 1999).

Zodra F. scutaria larven een mond ontwikkelden, waren ze in staat om zoöxanthellen op te nemen in alle navolgende stadia, ook na metamorfose tot een primaire poliep. Veel andere ‘broadcasting’ soorten produceren larven zonder mond, die alleen zoöxanthellen accepteren na metamorfose. Dit komt bijvoorbeeld voor bij zachte koralen zoals Dendronephthya gigantea. Deze laatste soort leeft zonder zoöxanthellen, terwijl veel koralen afhankelijk zijn van hun symbiotische algen.

De samensmelting van koraal en alg

De volgende vraag was natuurlijk hoe koraallarven zoöxanthellen opnamen in hun weefsel. De wetenschappers hadden al waargenomen dat de larven de algen opnamen door met kleine haartjes, ciliën, waterstromingen te creëren waardoor algen in de mond gezogen konden worden (fig. 4). Maar wat was de volgende stap? Hoe behielden de larven hun algen?

Figuur 4, links: Afbeeldingen van F. scutaria larven onder een electronenmicroscoop. De larven werden gedurende 1 uur blootgesteld aan zoöxanthellen en Artemia-oplossing. Boven: 3 dagen oude larven met zoöxanthellen die vastkleven in het slijm (m=mond, z=zoöxanthellen). Midden: larve met enkele zoöxanthellen die de mondopening naderen. Schaalbalk: 10 µm. Onder: Fungia larve gezien onder een fluorescentiemicroscoop. De blauwe vlekken zijn de kernen van de koraalcellen, de rode zijn de pas opgenomen zoöxanthellen (Schwarz et al, Biol. Bull, 1999).

De biologen ontdekten dat een algemeen mechanisme, endocytose, hiervoor verantwoordelijk was. Nadat de algen de mond van de larve waren gepasseerd werden ze opgenomen door het endodermale cytoplasma (fig.5). Zowel endodermale als ectodermale cellen namen binnen 1 uur na blootstelling zoöxanthellen op. Na de opname bevonden de algen zich in vacuolen; celcompartimenten waarin de algen verblijven. Hier produceerden ze suikers door middel van fotosynthese, waarvan de larven waarschijnlijk al profiteerden nog voordat deze zich hadden gehecht.

Verschillende voedingswijzen; een zaak van overleven

De wetenschappers denken dat F. scutaria zich waarschijnlijk makkelijker door de Indo-Pacifische wateren heeft kunnen verspreiden omdat larven van deze soort al snel in staat zijn om te profiteren van zoöxanthellen; nog voordat ze zich hechten op substraat. Ze worden niet alleen gevoed met suikers, maar ook met dooiermassa van de eicel, tot de 6de dag van ontwikkeling. Dit is ongeveer het moment van hechting en metamorfose. De mond stelt de larve waarschijnlijk ook in staat om plankton op te nemen, zoals ze dat ook doen als (primaire) poliepen. Een vierde mechanisme waarop deze koralen zich kunnen voeden is waarschijnlijk via de opname van (an)organische nutriënten uit het water, zoals aminozuren. Van volwassen kolonies zoals die van Stylophora pistillata is bekend dat deze vrije aminozuren uit het water effectief kunnen opnemen, zelfs bij zeer lage concentraties.

De voortplanting van koralen is zeer veelzijdig, en dit geldt ook voor de ontwikkeling van koraallarven. De ontwikkeling van een mondopening voordat de larve zich hecht aan substraat is mogelijk van groot belang in de wereldwijde verspreiding van veel koraalsoorten. Het resultaat van bovenstaande experimenten kan nuttig zijn voor toekomstige pogingen tot geslachtelijke voortplanting van koralen, aangezien het optimaliseren van de alg-opname en hechting van de larven essentieel zijn in dit proces. Dit onderzoek helpt ons ook te begrijpen hoe selectief koraallarven zijn in het opnemen van verschillende claden zoöxanthellen. Dit is bepalend voor welke koraalsoorten bleking kunnen overleven tijdens de volgende eeuwen van klimaatverandering; type D zoöxanthellen zijn resistent tegen temperaturen tot 32°C, waardoor koralen minder snel bleken. Dit heeft te maken met de celmembranen van de algen, waarvan clade D de meest temperatuurbestendige heeft. Het feit dat larven van F. scutaria zeer flexibel zijn qua type alg, maakt deze soort mogelijk zeer bestendig tegen toekomstige klimaatveranderingen.

Figuur 5: A: Het eerste contact tussen een endodermale cel en een zooxanthellum. De endodermale huidcellen  van de larve wikkelen zich hier om de alg heen. B: Een endodermale cel neemt een zooxanthellum op (Schwarz et al, Biol. Bull, 1999).

Referenties:

1.  Falkowski, PG, Dubinsky, Z, Muscatine, L, Porter, JW, Light and bioenergetics of a symbiotic coral. Bioscience, 1984, pp 705–709(34)

2.  Muscatine, L. Porter, JW, Reef corals: mutualistic symbioses adapted to nutrient-poor environments. Bioscience, 1977,  pp 454– 460(27)

3.  Edmunds, PJ, Davies, SP, An energy budget for Porites porites (Scleractinia). Mar. Biol, 1986,  pp 339– 347(92)

4. Trench, R. K. 1987. Dinoflagellates in non-parasitic symbioses. pp.530-570, in The Biology of Dinoflagellates, F. J. R. Taylor, ed. Blackwell Scientific, Oxford

5.  Jones AM, Berkelmans R, van Oppen MJH, Mieog JC, Sinclair W, A community change in the algal endosymbionts of a scleractinian coral following a natural bleaching event: field evidence of acclimatization, Proc. R. Soc. B, doi:10.1098/rspb.2008.0069

6.  Montgomery, M. K., and P. M. Kremer. 1995. Transmission of symbiotic dinoflagellates through the sexual cycle of the host scyphozoan Linuche unguiculata. Mar. Biol. 124: 147-155.

7.  Steele, R. D. 1975. Stages in the life history of symbiotic zooxanthellae in pellets extruded by its host Aiptasia targets (Duch. and Mich.) (Coelenterata, Anthozoa). Biol. Bull. 149: 590-600.

8.  Achituv Y, Benayahu Y, Hanania J, Planulae brooding and acquisition of zooxanthellae in Xenia macrospiculata (Cnidaria: Octocorallia), Helgolander Meeresunters., 1992, 46, 301-310.

9. Mauricio Rodriguez-Lanetty, Dave A. Krupp2, Virginia M. Weis, Distinct ITS types of Symbiodinium in Clade C correlate with cnidarian/dinoflagellate specificity during onset of symbiosis, Mar. Ecol. Prog. Ser., 2004, pp 97-102(275)