Un exemple de Co-évolution : La symbiose Cnidaire-Dinoflagellé et ses adaptations Paola Furla EA 4228 ECOMERS Université de Nice-Sophia Antipolis

L’histoire et les Cnidaires symbiotiques Les zoophytes (Edward Wotton, 1552)

L’histoire et les Cnidaires symbiotiques Charles Darwin Organismes vivants dépendant de la lumière The structure and distribution of coral reefs, 1842

L’hôte Cnidaire 4 Anémone de mer Gorgone Par exemple la limace de mer Elysia viridis qui récupère les chloroplastes de Codium (Viridobionte, Plantae). Coraux Méduse

environs 3,106 symbiote / mg protéines Le symbiote 5 environs 3,106 symbiote / mg protéines = 1 million / cm2 Z. Dubinski = Symbiodinum sp (zooxanthelle)

Diversité de zooxanthelles 6 De Symbiodinium microadriaticum à … On considère que : Clade A, B --> eaux de surface Clade C --> eaux de profondeur --> sensible au stress thermique Clade D --> tolérant au stress thermique Pochon, X., J.I. Montoya-Burgos, B. Stadelmann, and J. Pawlowski. 2006. Molecular phylogeny, evolutionary rates, and divergence timing of the symbiotic dinoflagellate genus Symbiodinium. Molecular Phylogenetics and Evolution. 38:20-30. 8 clades A to H 23 % of the coral species studied (442 species) host multiple zooxanthella clade. Pochon et al. 2006

Morphologie de la symbiose 7 Cnidocyte

Le succès de cette symbiose 8 Endosymbiose Mutualiste Basée sur des échanges trophiques La clef su succès : la symbiose photosynthétique

Le succès de cette symbiose 9 CO2+H2O O2 + Sucres & lipides Endoderme Dinoflagellé Symbiodinium sp. (zooxanthelle) Zoox en culture Ectoderme Endo- derme

Adaptations à la vie symbiotique 10 Oxygène Perturbations Environnementales 1- Optimisation exposition solaire Exposition solaire 2- Protection contre les UVs Carbone inorganique 3- Absorption CO2 supply par l’hôte 4- Tolérance à l’hyperoxie 5- Résistance aux perturbations environnementales

Optimisation de l’exposition solaire Adaptation à long terme de la symbiose 11 Surface Profondeur Ecomorphes de Stylophora pistillata Gattuso, thèse Doctorat,1987

NPAR PAR Optimisation de l’exposition solaire Coopération entre hôte et symbiote 12 Pigments fluorescents: POCILLOPORINES NPAR PAR Cnidaire Dinofl. (N)PAR : Radiations NON photosynthétiquement activee Schlichter and Fricke, 1990

Protection contre les UV Mycosporine-like acides aminés Longueur d’onde (nm) Absorbance (units) shaded Stylophora pistillata Plein soleil v v Pourquoi les coraux ne prennent-ils pas de coup de soleil ? Pic d’absorption dans les Uvs chez extraits de coraux, proportionnel à exposition au soleil OCH 3 OH HO NH CO 2 H O 310 320 334 nm Symbiotic corals living in shallow tropical water receive 30 times the dose that causes sunburn in humans—every day! So, why don’t corals get sunburned? Methanolic extracts of corals show (in addition to peaks associated with zooxanthella chlorophylls and accessory pigments) a peak of UV absorption, the size of which is correlated with the corals’ exposure to solar radiation. This peak actually consists of a suite of UV-absorbing compounds, the mycosporine-like amino acids. Structural differences among the >20 MAAs cause slight differences in the UV-absorption, so that by having multiple MAAs in its tissues, a coral has a broad-band filter across much of the range of potentially damaging solar UVA and UVB wavelengths. Here are the structures of mycosporine-glycine (max absorption at 310 nm), palythine (max at 320 nm), and shinorine (max at 334 nm), three of the 10 MAAs present in Stylophora. [Data not shown, but you can mention that the MAA-concentration in a coral is correlated with the degree of protection of whole-colony photosynthesis from inhibition by UV.] Paola: you probably will not have time to say this, but the absorption spectra provide a good example of the opposite pattern of response to solar radiation by the photosynthetic pigments and by MAAs. I.e., corals under low light have low concentrations of UV-absorbing MAAs but show compensatory photoacclimation in their high levels of photosynthetic pigments. Under high light, there is a lower concentration of photosynthetic pigments but a very high concentration of MAAs. This is a good indication that MAA concentration is related specifically to UV. OCH 3 OH HO NH CO 2 H Mycosporine-like acides aminés (MAAs) Absorption des UVs sur un large spectre OCH 3 OH HO NH CO 2 H N Dunlap & Chalker, 1986.

Protection contre les UV Mycosporine-like acides aminés 14 Hôte Corail avec 10 types de Maas Zoox avec 3 types de Maas Zoox Stylophora pistillata Présence inédite d’une voie de biosynthèse des MAAs chez un animal (!), dont 5 gènes ont déjà été identifiés dans le génome du Cnidaire Nematostella vectensis suggérant Soit la présence de gènes ancestraux Soit des transferts horizontaux de gènes UV-acclimated colonies of Stylophora pistillata are rich in MAAs, which are collectively indicated by the large absorption peak at 325 nm, but zooxanthellae freshly isolated from the same colony are virtually devoid of MAAs. Thus, although MAA sunscreens are initially made in the ZX, apparently they are largely translocated to the host, which is, after all, where solar UV first strikes the symbiosis and where a sunscreen might be of particular use. Our other model cnidarian symbiosis, Anemonia viridis, lends itself to a more detailed analysis of the localization of MAAs. The large tentacles of this anemone can be slit open longitudinally to yield a flat sheet having ectoderm on one side and endoderm (where the ZX are resident) on the other. Then, endoderm and the contained ZX can be scraped away, leaving the ectoderm + mesoglea, so that the two tissue layers can be analyzed separately for MAAs. This reveals that MAAs (as indicated by their representative peak) are concentrated primarily in the ectoderm, as seen in these absorption spectra for equal weights of whole tentacle, ectoderm, and endoderm + ZX. Again, it is the host that must be the first line of defense against impinging environmental UV radiation, which was also seen in the coral; now we see that it is the ectoderm in particular where the MAAs are most concentrated. It makes good sense to put a sunscreen in the outer, most exposed, layer. The histogram shows the 4 individual MAAs identified in Anemonia (three of these also occur in Stylophora). These 4 are present in the same proportions in both endoderm and ectoderm, although the ectodermal concentration is higher, as also indicated by the absorption spectra. Thus the translocation of individual MAAs is from ZX to endodermal cells, and then across the mesoglea to the ectodermal cells. Experiments with other organisms indicate that specific MAA-transporters exist, so we assume that these occur in Cnidaria. The mechanism whereby MAAs become concentrated in certain tissues (e.g., ectoderm), and not necessarily in the tissues where they are produced, has not been studied. Starcevic et al. 2008

Absorption de CO2 pour la photosynthèse 15 O2 + sucre H2O + CO2

Absorption de CO2 par l’hôte 16 Insuffisant pour la photosynthèse du symbiote CO2 métabolique Z HCO3- Ectoderme Endoderme Coelenteron Absorption de HCO3- par l’hôte animal au travers de tous ses tissus Furla et al. 2000a, 2000b 1

Résistance à l’hyperoxie 17 O2 + Sucre CO2+H2O

Résistance à l’hyperoxie 18 Evolution de l’oxygène intratentaculaire 140 120 100 80 60 40 20 Time (min) Light. Dark Light 50 30 10 % O2 Anemonia viridis Absence de dommages oxydatifs ROS Sélection de mécanismes de défense antioxydante particulièrement performants Richier et al. 2003

Les superoxyde dismutases chez les Cnidaires symbiotiques 19 e- Superoxyde dismutases Catalases Peroxydases H202 02 02 O2.- Anion Superoxyde Peroxyde D’hydrogène Stylophora pistillata Pocillopora verrucosa Anemonia viridis Entacmea quadricolor Clade A1 Clone Av Clade A Clone Sp Clone Gf Richier et al. 2005, Furla et al. 2005

Les superoxyde dismutases chez les Cnidaires symbiotiques 20 SOD O2.- H202 Ec Ed Zx Anemonia viridis FeSOD MnSOD CuZnSOD Forte diversité d’isoformes animales Identification d’isofomes comunes aux deux partenaires MnSOD Richier et al. 2003

Origine d’une manganèse superoxyde dismutase 21 Ec ARNm 1553 bp AAAAA 5’ UTR ORF 3’ UTR MnSOD ADNg 3687 bp I1 I2 I3 I4 = Introns Furla et al. In prep

Origine d’une manganèse superoxyde dismutase 22 Ec 1500 bp + INTRONS Tots 300 bp Z en culture - INTRONS Totb PCR sur ADNg de….. ~100 % similarité entre les deux amplicons mais absence d’intron dans la MnSOD de zoox Furla et al. In prep

Les transferts horizontaux de gène : SOURCE D’ADAPTATION 23 La caractérisation moléculaire des MnSOD suggère fortement des évènements récents de transfert horizontale de gène entre les deux partenaires MnSOD HGT Conclusion soutenue par : Présence très importante de rétrovirus dans les banques d’EST Résultats obtenus sur la voie de biosynthèse des MAAs Fort % de gènes non-métaozaires dans génome des Cnidaires (Kortschak et al., 2003; Steele et al., 2004; Denker et al., 2008; Sabourault et al., 2009)

L’avenir de la symbiose Cnidaire Dinoflagellé 24 Malgré le succès écologique de cette symbiose Malgré la multitude de processus adaptatifs au sein de cette symbiose Malgré l’importance trophique pour la survie des 2 partenaires de cette symbiose Cette symbiose montre des signes de fragilités (et/ou souplesses) par le phénomène de BLANCHISSEMENT = rupture de la symbiose

Fin 25

Monstres prometteurs… L’avenir de la symbiose Cnidaire Dinoflagellé 26 THG THG Zoophyte ?! Cnidaire + Dinoflagellé THG Monstres prometteurs…