Publication:
Comparison of molecular biomarkers within and across scleractinian coral species exposed to elevated temperatures

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Authors
Griffin, Sean P.
Embargoed Until
Advisor
Weil, Ernesto F.
College
College of Arts and Sciences - Sciences
Department
Department of Marine Sciences
Degree Level
Ph.D.
Publisher
Date
2005
Abstract
There has been an increase in the frequency and intensity of bleaching events on scleractinian corals since 1980. Coral bleaching in 1998 was the most extensive and severe ever recorded. These large scale bleaching episodes can result in up to 100% mortality in some areas, and major bleaching events are predicted to increase in frequency over the next few decades as a result of increasing temperatures from global warming. Many coral species are living close to their thermotolerance limits and it is unclear if corals will be able to survive further increases in mean sea surface temperatures. Will certain species suffer high levels of mortality that could drive them to extinction, and which species will acclimate to these changes? This research compares thermotolerance levels between (Pocillopora damicornis and Pocillopora meandrina) and looks at the acclimation potential of P. meandrina to elevated temperatures. Colonies of P. damicornis from Kaneohe Bay, Hawaii, and colonies of P. meandrina from a thermal outfall site and a control site at Kahe with normal ambient sea surface temperatures, were exposed to different temperatures. Temperatures at the outfall site were up to 5o C higher than the surrounding water. Not only did this allow for comparison of thermotolerance between the 2 species, but comparisons for acclimation potential could be made between P. meandrina colonies from the thermal outfall and the control site. Several molecular biomarkers were evaluated during this research to assess photosynthetic efficiency in the zooxanthellae and antioxidant levels in the coral host. In 2002, the Ferric Reducing/ Antioxidant Potential Assay (FRAP) was adapted to be used with corals to measure antioxidant levels in the coral. In 2003, Enzyme Linked Immunosorbent Assays (ELISAs) using catalase antibodies were used along with FRAP to corroborate the results from the FRAP method, since FRAP measures not only antioxidants in a sample but also chemical reductants which could have no antioxidant activity. ELISAs using several other antibodies were performed also to examine different cellular parameters that could be related to stress. Photosynthetic efficiency was measured using Pulse Amplitude Modulated (PAM) Fluorometry to measure damage to Photosystem II in the chloroplasts of the zooxanthellae. The combined results of this research show that P. meandrina from the outfall site can tolerate elevated temperatures better than conspecifics from a nearby control population. This could be the result of acclimation to higher temperatures found near the thermal outfall. Pocillopora meandrina is regarded as one of the more thermosensitive species on Hawaiian reefs. The reactions of P. meandrina from the outfall are similar to P. damicornis, which is adapted to shallower environments with greater fluctuations in temperature and irradiance. Acclimation of P. meandrina to the conditions at the outfall site has occurred in less than 30 years. This might suggest that some coral species will be able to acclimate to the present trends in global warming after initial episodes of mass mortality, which could be already occurring on reefs around the world.

La frecuencia e intensidad de los eventos de blanqueamiento en los corales escleractineos ha aumentado desde el año 1980. El episodio de blanqueamiento de corales del año1998 fue el más extenso y grave jamás observado. Los episodios masivos de blanqueamiento pueden resultar en 100% de mortalidad y se pronostica que éstos aumenten en los próximos 50 años como resultado de los aumentos en temperatura debido al calentamiento global. Muchas especies de coral viven cerca de sus límites de termotolerancia y no se conoce si éstas podrían soportar temperaturas promedio más elevadas. ¿Cuáles especies han de sufrir niveles altos de mortalidad o posible extinción y cuáles se podrán aclimatar a su nuevo ambiente? Estas son preguntas importantes sobre los efectos del calentamiento global en los arrecifes. Esta investigación comparó los niveles de termotolerancia entre Pocillopora damicornis y Pocillopora meandrina, y evaluó el potencial de la especie P. meandrina para aclimatarse a temperaturas elevadas. Colonias de Pocillopora damicornis de Kaneohe Bay, en Hawai, y colonias de Pocillopora meandrina de un desagüe termal y de una localidad control en Kahe, con temperaturas normales, fueron expuestas a diferentes temperaturas. Las temperaturas del desagüe fueron 5o C más altas que la temperatura del sitio control. Esto permitió comparar termotolerancia entre las dos especies y el potencial de aclimatación de las colonias de P. meandrina del desagüe termal y de la localidad control. Durante esta investigación se midieron varios marcadores moleculares para determinar el estatus del proceso de fotosíntesis en las zooxantelas y los niveles de antioxidantes en los pólipos de coral. Se utilizó una modificación de la prueba Ferric Reducing/ Antioxidant Potential (FRAP) para medir los niveles de antioxidantes en corales. La prueba Enzyme Linked Immunosorbent Assays (ELISAs), utilizando anticuerpos de catalasa, fue utilizada para corroborar los resultados del ensayo FRAP porque, además de medir los antioxidantes en las muestras, también mide los reductores químicos que no tienen actividad de antioxidantes. La prueba ELISAs, utilizando varios anticuerpos, fue utilizada también para medir otros parámetros que pudiesen estar relacionados al estrés térmico. La eficiencia de la fotosíntesis fue medida utilizando el método Pulse Amplitude Modulated Fluorometry para determinar daños al Fotosistema II en los cloroplastidios de la zooxantela de los corales. Los resultados combinados de estas investigaciones demuestran que P. meandrina del área del desagüe termal puede resistir temperaturas elevadas mejor que la misma especie en el área control. Esto significa que P. meandrina se ha adaptado a las temperaturas altas que se encuentran cerca del desagüe. Pocillopora meandrina es una de las especies más sensitivas a temperaturas elevadas en los arrecifes de Hawai. No obstante P. meandrina de la localidad del desagüe termal se comporta similar a P. damicornis, la cual es una especie adaptada a aguas someras con mayor fluctuación en temperatura y radiación. La aclimatación de P. meandrina a las condiciones de temperatura alta del desagüe se desarrolló en menos de 30 años. Esto implica que hay posibilidades que algunas especies de coral se puedan aclimatar a los patrones del calentamiento global, pero sólo después de unos episodios iniciales de mortalidad masiva como los que ya están ocurriendo en muchos arrecifes alrededor del mundo.
Keywords
Scleractinia - Biochemical markers – Effect of high temperatures on - Hawaii,
Coral bleaching – Effect of high temperatures on - Hawaii,
Ocean temperature – Coral bleaching - Hawaii,
Thermal tolerance (Physiology) – Scleractinia - Hawaii
Cite
Griffin, S. P. (2005). Comparison of molecular biomarkers within and across scleractinian coral species exposed to elevated temperatures [Dissertation]. Retrieved from https://hdl.handle.net/20.500.11801/1647