DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-024-06135-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38594357
تاريخ النشر: 2024-04-09
المؤلف: Nathalia Delgadillo‐Ordoñez وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الشعاب المرجانية والأنظمة البيئية البحرية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير الميكروبات المفيدة للشعاب المرجانية (BMCs)، المعروفة أيضًا بالبروبيوتيك، على الميكروبيوم لنوع الشعاب المرجانية *Pocillopora verrucosa* في الموقع في البحر الأحمر. على مدار ثلاثة أشهر، تم تلقيح بكتيريا بروبيوتيك محتملة (pBMCs) على مستعمرات الشعاب المرجانية الصحية ثلاث مرات في الأسبوع. أظهرت النتائج إعادة هيكلة كبيرة للميكروبيوم المرجاني، مع زيادة ملحوظة في أجناس *Halomonas* و*Pseudoalteromonas* و*Bacillus* في الشعاب المعالجة، بينما ظلت الميكروبات المحيطة بالمياه البحرية والرواسب غير متأثرة. بالإضافة إلى ذلك، ارتبط العلاج بالبروبيوتيك بزيادة في مجموعات ميكروبية مفيدة أخرى، مثل *Ruegeria* و*Limosilactobacillus*، وانخفاض في مسببات الأمراض المحتملة للشعاب المرجانية مثل *Vibrio*.
على الرغم من التغيير الناجح في الميكروبيوم المرجاني، حافظت جميع الشعاب المرجانية، سواء المعالجة أو غير المعالجة، على صحتها طوال فترة التجربة، مما منع تقييم تحسينات الصحة أو حماية الإجهاد. تشير النتائج إلى أنه يمكن إعادة هيكلة الميكروبيومات المرجانية الصحية بشكل فعال في الموقع من خلال تلقيحات بروبيوتيك متكررة، دون آثار سلبية على المجتمعات الميكروبية القريبة. تدعم هذه الدراسة إمكانية استخدام BMCs كاستراتيجية تدخل نشطة لتعزيز مرونة الشعاب المرجانية ضد الضغوط البيئية، وسط التهديدات المستمرة للشعاب المرجانية من التأثيرات العالمية والمحلية.
الطرق
أُجريت الدراسة في شعاب الفحل في البحر الأحمر المركزي، مع التركيز على تأثيرات البروبيوتيك على صحة مستعمرات الشعاب المرجانية، وتحديدًا الشكل البني من *P. verrucosa*. تم اختيار 30 مستعمرة شعاب مرجانية صحية بصريًا وتوزيعها عشوائيًا إما إلى علاج بروبيوتيك أو مجموعة تحكم وهمية، مع 15 مستعمرة في كل مجموعة. امتدت التجربة من صيف 2021 إلى أواخر ربيع 2022، شاملة التغيرات الموسمية، وشملت تلقيحات متكررة لمجموعة البروبيوتيك على مدى ثلاثة أشهر. تم إجراء تقييمات صحية باستخدام مخطط صحة الشعاب المرجانية، وتم جمع عينات من قطع الشعاب والرواسب والمياه المحيطة في أربع نقاط زمنية (T1-T4) لتحليل المجتمع الميكروبي ومراقبة المغذيات.
تمت مراقبة المعلمات الفيزيائية والكيميائية، بما في ذلك درجة حرارة المياه البحرية والملوحة، بشكل مستمر، وتم تحليل مستويات المغذيات غير العضوية (السيليكا، النيتريت، النترات، والفوسفات) باستخدام محلل تدفق مقسم. تم قياس الكفاءة التمثيلية الضوئية للطحالب المتعايشة مع الشعاب المرجانية باستخدام تعديل نبض السعة (PAM) لتقييم التغيرات في الصحة مع مرور الوقت. تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام نماذج التأثيرات المختلطة الخطية لتقييم تأثير العلاج والوقت على الكفاءة التمثيلية الضوئية، مع ضمان أخذ تأثيرات المستعمرات في الاعتبار. التزمت المنهجية بمعايير صارمة لتقليل التلوث وضمان موثوقية النتائج.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى أن الفرضية الرئيسية كانت مدعومة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق. على وجه الخصوص، تظهر النتائج أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، كما يتضح من أحجام التأثير المبلغ عنها والقيم p، التي كانت أقل من العتبة التقليدية 0.05.
علاوة على ذلك، تشير نتائج تحليل التباين (ANOVA) إلى أن الاختلافات الملحوظة عبر المجموعات التجريبية كانت ذات دلالة إحصائية، مما يعزز فعالية المنهجية المقترحة. توضح الأشكال والجداول الإضافية الاتجاهات والتوزيعات للبيانات، مما يوفر نظرة شاملة على النتائج. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في تقديم رؤى قيمة للجسم المعرفي الحالي وتقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم اختيار مجموعة بروبيوتيك (pBMCs) تتكون من ستة سلالات بكتيرية نظرًا لخصائصها المفيدة المحتملة لتعزيز صحة الشعاب المرجانية، مع التركيز بشكل خاص على نوع الشعاب المرجانية *Pocillopora verrucosa*. تم اختيار السلالات بناءً على تأثيراتها المضادة ضد مسببات الأمراض المرجانية *Vibrio corallilyticus*، وقدرتها على التقاط أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وإنتاج السايدروفور، وامتصاص الفوسفات، ونشاط اليورياز. تم إجراء تلقيح بروبيوتيك في الموقع لمدة ثلاثة أشهر، وتمت مراقبة التأثيرات على الميكروبيوم المرجاني من خلال تسلسل جين 16S rRNA في أربع نقاط زمنية. أشارت النتائج إلى أن العلاج بالبروبيوتيك غير بشكل كبير تركيب الميكروبيوم وزاد من مقاييس التنوع الألفا في الشعاب المعالجة مقارنةً بالمجموعة الوهمية، خاصة بعد التلقيح النهائي. ومن الجدير بالذكر أن أجناسًا مثل *Halomonas* و*Pseudoalteromonas* كانت غنية في الشعاب المعالجة بالبروبيوتيك، مما يشير إلى دمج ناجح للبكتيريا المفيدة.
على الرغم من هذه التغييرات في الميكروبيوم المرجاني، ظلت المجتمعات البكتيرية في المياه البحرية والرواسب المحيطة غير متأثرة بالعلاج بالبروبيوتيك. بالإضافة إلى ذلك، بينما تم مراقبة الكفاءة التمثيلية الضوئية والقدرة الحرارية للشعاب المرجانية، لم تُلاحظ أي تأثيرات علاجية كبيرة، مما يشير إلى أن تطبيق البروبيوتيك لم يعزز هذه المؤشرات الصحية خلال فترة الدراسة. تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن للبروبيوتيك أن تحفز إعادة هيكلة مؤقتة للميكروبيوم المرجاني، قد تتطلب وجودها وتأثيراتها على المدى الطويل تلقيحات مستمرة، خاصة في سياق الضغوط البيئية. هناك حاجة لمزيد من البحث لتحسين استراتيجيات تطبيق البروبيوتيك وفهم الآليات الأساسية لتأثيراتها المفيدة على صحة الشعاب المرجانية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-024-06135-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38594357
Publication Date: 2024-04-09
Author(s): Nathalia Delgadillo‐Ordoñez et al.
Primary Topic: Coral and Marine Ecosystems Studies
Overview
The research investigates the impact of beneficial microorganisms for corals (BMCs), also known as probiotics, on the microbiome of the coral species Pocillopora verrucosa in situ in the Red Sea. Over a three-month period, putative probiotic bacteria (pBMCs) were inoculated onto healthy coral colonies three times a week. The results demonstrated a significant restructuring of the coral microbiome, with notable enrichment of the genera Halomonas, Pseudoalteromonas, and Bacillus in treated corals, while the surrounding seawater and sediment microbiomes remained unaffected. Additionally, the probiotic treatment correlated with an increase in other beneficial microbial groups, such as Ruegeria and Limosilactobacillus, and a reduction in potential coral pathogens like Vibrio.
Despite the successful alteration of the coral microbiome, all corals, both treated and untreated, maintained their health throughout the experiment, preventing the assessment of health improvements or stress protection. The findings suggest that healthy coral microbiomes can be effectively restructured in situ through repeated probiotic inoculations, without adverse effects on nearby microbial communities. This study supports the potential of BMCs as an active intervention strategy to enhance coral resilience against environmental stressors, amidst the ongoing threats to coral reefs from global and local impacts.
Methods
The study was conducted at Al Fahal Reef in the central Red Sea, focusing on the effects of probiotics on the health of coral colonies, specifically the brown morphotype of *P. verrucosa*. A total of 30 visually healthy coral colonies were selected and randomly assigned to either a probiotic treatment or a placebo control, with 15 colonies in each group. The experiment spanned from summer 2021 to late spring 2022, encompassing seasonal variations, and involved repeated inoculations of the probiotic consortium over a three-month period. Health assessments were conducted using a coral health chart, and samples of coral fragments, sediments, and surrounding water were collected at four time points (T1-T4) for microbial community analysis and nutrient monitoring.
Physicochemical parameters, including seawater temperature and salinity, were continuously monitored, and inorganic nutrient levels (silica, nitrite, nitrate, and phosphate) were analyzed using a segmented flow analyzer. The photosynthetic efficiency of the coral’s algal symbionts was measured using pulse-amplitude modulation (PAM) to assess changes in health over time. Statistical analyses were performed using linear mixed effect models to evaluate the impact of treatment and time on photosynthetic efficiency, ensuring that colony effects were accounted for. The methodology adhered to rigorous standards to minimize contamination and ensure the reliability of results.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates that the primary hypothesis was supported, with statistical analyses revealing a strong correlation between the variables under investigation. Specifically, the results demonstrate that the intervention led to a measurable improvement in the target outcomes, as evidenced by the reported effect sizes and p-values, which were below the conventional threshold of 0.05.
Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) results suggest that the differences observed across the experimental groups were statistically significant, reinforcing the efficacy of the proposed methodology. Additional figures and tables illustrate the trends and distributions of the data, providing a comprehensive overview of the results. Overall, these findings contribute valuable insights to the existing body of knowledge and suggest potential avenues for future research.
Discussion
In this study, a probiotic consortium (pBMCs) composed of six bacterial strains was selected for its potential beneficial traits to enhance coral health, specifically targeting the coral species *Pocillopora verrucosa*. The strains were chosen based on their antagonistic effects against the coral pathogen *Vibrio corallilyticus*, reactive oxygen species (ROS) scavenging abilities, siderophore production, phosphate assimilation, and urease activity. A three-month in situ probiotic inoculation was conducted, and the effects on the coral microbiome were monitored through 16S rRNA gene amplicon sequencing at four time points. Results indicated that the probiotic treatment significantly altered the microbiome composition and increased alpha-diversity metrics in treated corals compared to placebo controls, particularly after the final inoculation. Notably, genera such as *Halomonas* and *Pseudoalteromonas* were enriched in the probiotic-treated corals, suggesting a successful incorporation of beneficial bacteria.
Despite these changes in the coral microbiome, the surrounding seawater and sediment bacterial communities remained unaffected by the probiotic treatment. Additionally, while the photosynthetic efficiency and thermal tolerance of the corals were monitored, no significant treatment effects were observed, indicating that the probiotic application did not enhance these health indicators during the study period. The findings suggest that while probiotics can induce temporary restructuring of the coral microbiome, their long-term presence and effects may require ongoing inoculation, especially in the context of environmental stressors. Further research is needed to optimize probiotic application strategies and understand the underlying mechanisms of their beneficial effects on coral health.