Microeroi in aiuto delle barriere coralline

Scritto e tradotto da Sara GAGLIARDI, Original Post

Nella mia prima pubblicazione “L’incredibile mondo dei microrganismi associati al corallo“, abbiamo parlato della diversità dei microrganismi, in particolare dei batteri, che vivono in stretta relazione con i coralli. Questi organismi svolgono diversi ruoli chiave nell’ospite corallino, come fornire energia (ciclo e produzione di nutrienti), difendere contro gli agenti patogeni (produzione antimicrobica, occupazione della nicchia, infezione), guidare la metamorfosi, etc1–3. Pertanto, sono fondamentali per l’adattamento e l’acclimatazione del corallo agli stress ambientali. Tuttavia, dal 1970, la popolazione globale delle barriere coralline ha subito una diminuzione sostanziale, causata da sbiancamento e focolai di malattie, le quali sono causate da un cambiamento nella composizione della comunità microbica associata ai tessuti corallini. Questi cambiamenti rispondono a fattori di stress sia da parte dell’ambiente —ad es. stress termico e acidificazione dell’acqua— che delle attività antropiche —ad es. inquinamento dell’acqua, aumento dei gas ad effetto serra, pesca eccessiva o distruzione fisica. Tra i noti agenti responsabili per lo sviluppo di  malattie nei coralli troviamo i batteri Vibrio shilonii e V. coralliilyticus, i quali provocano  la lisi dei tessuti di Oculina patagonica e Pocillopora sp. rispettivamente (sbiancamento batterico). Il fungo patogeno Aspergillus sydowii, provoca invece anelli di lesione viola che degradano i tessuti degli ottocoralli (aspergillosi), mentre una massa microbica dominata da cianobatteri e batteri solforati-riducenti, provoca una banda di lesione nero/rossastra, anossica e ricca di solfuri che porta alla morte dei tessuti corallini (malattia della banda nera)4. Mentre la durata e l’intensità di questi eventi di stress aumenta, aumentando potenzialmente la mortalità dei coralli, i ricercatori stanno cercando di trovare una soluzione per migliorare la resistenza e la resilienza dei coralli a queste dure condizioni.

Figura 1: Coralli malati che presentano segni di (a) sbiancamento, (b) aspergillosi e (c) malattia della banda nera

Un’idea è stata proposta dal Dr. Rosado (2019), che ha deciso di trattare le malattie dei coralli manipolando le comunità microbiche che vivono nei tessuti corallini. Infatti, come viene fatto sulla terra ferma con la strategia agricola sostenibile chiamata agricoltura intelligente (smart farming) —dove consorzi di rizobatteri che promuovono la crescita delle piante (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria) sono utilizzati per il controllo biologico di agenti patogeni delle piante e/o insetti e per il miglioramento dello sviluppo delle piante—, le tecniche di ingegneria microbica sono state introdotte per la prima volta negli ambienti marini5. I primi tentativi di manipolare i Microrganismi Benefici per i Coralli (Beneficial Microorganisms for Corals, BMCs), definiti come (specifici) simbionti che promuovono la salute dei coralli, sono stati condotti negli acquari. Al giorno 9, i coralli sono stati infettati a 30°C (stress termico) con Vibrio coralliilyticus. La metà dei campioni sono stati inoculati il giorno dopo (giorno 10) con un consorzio di BMCs, composto da cinque Pseudoalteromonas sp., Halomonas taeanensis e Cobezia marina —specie affini isolate dal corallo di pizzo Pocillopora damicornis e dall’acqua circostante. Per infettare i coralli con i batteri, dei frammenti sono stati rimossi dalle vasche e messi in una capsula di Petri inoculata con l’agente patogeno o il consorzio di BMCs.

Figura 2: Il corallo di pizzo Pocillopora damicornis in un acquario. Fonte: https://jadwigamorska.pl/pocillopora-damicornis-purple-foto-22-10-2020-sklep-l4-i-rozmiar-6-cm.html

I risultati hanno mostrato che quando i coralli sono infettati unicamente con il patogeno, lo sbiancamento avviene rapidamente, causato dalla perdita di pigmentazione dei tessuti corallini. Tuttavia, se il consorzio BMCs è inoculato, i tessuti non sbiadiscono (vedi Figura 2) e l’invasione e la degradazione dei tessuti corallini da parte delle  popolazioni di Vibrio è prevenuta. Per fare questo, il consorzio BMCs si sospetta produca sostanze antibiotiche per eliminare attivamente l’agente patogeno e usi attività catalitiche per proteggere il corallo dalle specie reattive dell’ossigeno prodotte durante il progresso della malattia, le quali causerebbero la morte cellulare attraverso lo stress ossidativo. Inoltre, la colonizzazione dei tessuti corallini da parte dei BMCs esclude Vibrio coralliilyticus, l’agente patogeno, dall’attaccamento ai tessuti, impedendo quindi indirettamente lo sviluppo della malattia.

Figura 3: Risposta corallina all’introduzione dell’agente patogeno Vibrio coralliilyticus senza (a sinistra) e con (a destra) trattamento per inoculazione di BMCs a 30°C. “Before” corrisponde al controllo orario iniziale (giorno 9), dove la temperatura è stata aumentata e le inoculazioni avviate. “After” corrisponde alla fine dell’esperimento (giorno 26). D# mostra il tasso di pigmentazione. *sono mostrate fotografie originali. (Rosado et al., 2019)

Nonostante i risultati importanti, la tecnica sviluppata dalla Dr.sa Rosado non può essere utilizzata in ambiente naturale. Tuttavia, gli scienziati hanno continuato a studiare diversi metodi per inoculare i BMCs nei tessuti corallini. L’ultima (a mia conoscenza) è stata proposta dal Dr. Assis nel 20206. Nella sua ricerca al Rio de Janeiro Marine Aquarium Research Center (Aquario), ella utilizza il carattere predatorio dei coralli a suo vantaggio per la predazione naturale di rotiferi alimentati con il consorzio di BMCs elaborato dal Dr. Rosado. Infatti, anche se i coralli vivono in simbiosi con molti organismi che li aiutano ad assorbire i nutrienti, questa relazione non è sufficiente per il loro sostentamento. La loro dieta richiede, tra gli altri, di rotiferi, organismi comunemente utilizzati in acquacoltura a causa della loro facile crescita e l’erogazione di nutrienti. Inoltre, i rotiferi sono stati utilizzati per fornire un trattamento probiotico al gambero bianco occidentale. Nella sua esperienza, la Dr.sa Assis ha costretto il rotifero a nutrirsi del consorzio di BMCs dopo un digiuno, causando un calo del tasso di digestione che ha permesso l’accumulo di batteri vivi nell’intestino e nella superficie dell’organismo. Successivamente, i rotiferi sono stati introdotti nell’acqua circostante ai coralli, che hanno iniziato a nutrirsene liberamente (potete vedere un video qui).

Figura 4: Il rotifero alimentato con il consorzio di BMCs (a sinistra) e i polipi corallini che catturano questi rotiferi dall’acqua circostante (a destra). (Assis et al., 2020)

Questa tecnica presenta un modo promettente per fornire direttamente batteri con funzione benefica ai coralli minacciati nell’oceano. Tuttavia, rimane ancora da scoprire se il corallo stabilisce una simbiosi stabile con i BMCs forniti, o se si tratta di una relazione temporanea. Inoltre, come ha detto la mia collega Fedra Herman, “l’unico modo per garantire davvero la sopravvivenza delle barriere coralline a lungo termine è ridurre le nostre emissioni di gas serra“, in quanto sono i principali fattori scatenanti dello sbiancamento dei coralli e delle malattie. Intervenire sia per ridurre gli stress ambientali ed antropici, che per aumentare la resistenza e la resilienza dei coralli alle minacce è importante per cessare o addirittura invertire il declino delle popolazioni di coralli. A questo scopo, l’ingegneria microbica propone uno strumento interessante che, insieme al ripristino delle popolazioni coralline locali ed alla selezione di esemplari resistenti al calore, potrebbe salvare le barriere coralline dal loro declino.

Riferimenti:

1. Cavalcanti, G. S., Alker, A. T., Delherbe, N., Malter, K. E. & Shikuma, N. J. The Influence of Bacteria on Animal Metamorphosis. Annu. Rev. Microbiol. 74, 137–158 (2020).

2. Efrony, R., Loya, Y., Bacharach, E. & Rosenberg, E. Phage therapy of coral disease. Coral Reefs 26, 7–13 (2007).

3. van de Water, J. A. J. M., Coppari, M., Enrichetti, F., Ferrier-Pagès, C. & Bo, M. Local Conditions Influence the Prokaryotic Communities Associated With the Mesophotic Black Coral Antipathella subpinnata. Frontiers in Microbiology 11, (2020).

4. Mohamed, A. R. & Sweet, M. Current Knowledge of Coral Diseases Present Within the Red Sea. in Oceanographic and Biological Aspects of the Red Sea (eds. Rasul, N. M. A. & Stewart, I. C. F.) 387–400 (Springer International Publishing, 2019). doi:10.1007/978-3-319-99417-8_21.

5. Rosado, P. M. et al. Marine probiotics: increasing coral resistance to bleaching through microbiome manipulation. ISME Journal 13, 921–936 (2019).

6. Assis, J. M. et al. Delivering Beneficial Microorganisms for Corals: Rotifers as Carriers of Probiotic Bacteria. Front. Microbiol. 11, (2020).https://www.microbiologiaitalia.it/batteriologia/le-barriere-coralline-microrganismi-in-soccorso/#Microrganismi_e_barriere_coralline

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