Published May 17, 2023 | Version v1
Publication Open

Caribbean scleractinian corals exhibit highly variable tolerances to acute hypoxia

  • 1. University of Miami
  • 2. University of Jordan

Description

Introduction Climate change, and the increase in sea surface temperature, is exacerbating ocean deoxygenation because of the inherent property of seawater to sequester less dissolved gas, such as oxygen, at warmer temperatures. While most coral reef studies focus on the effects of thermal stress and ocean acidification, few studies acknowledge the threat of hypoxia. Hypoxia is traditionally defined as 6.3 kPa (2 mg L-1 O2), however, a universal hypoxia threshold is not useful given the vast range of responses among marine organisms. The range of metabolic responses and tolerances to hypoxia are unknown for Caribbean coral species and their algal symbionts. Objective Here, we quantified the spectrum of acute hypoxia tolerances and the range of metabolic responses of six ecologically and structurally important Caribbean coral species (Acropora cervicornis, Siderastrea radians, Siderastrea siderea, Porites astreoides, Porites porites, and Orbicella faveolata) and their algal symbionts (Symbiodinium, Breviolum, and Durusdinium spp.). Methods A total of 24 coral fragments (4 individuals per species) were exposed to 10 distinct oxygen concentrations ranging from normoxia (20.38 kPa) to severe hypoxia (3.3 kPa). We used intermittent flow respirometry to measure coral host respiration in the dark and algal symbiont photosynthesis in the light at each oxygen level. We determined a line of best fit for the metabolic rate vs. PO2 data and calculated the critical oxygen partial pressure (PO2 crit), a method that has not been tested on symbiotic species. Results Coral species and their algal symbionts measured here displayed a wide range of hypoxia tolerances. For the coral hosts, PO2 crit values differed roughly two-fold ranging from 5.74 kPa to 16.93 kPa, and for the algal symbionts, PO2 crit values differed roughly three-fold ranging from 3.9 kPa to 11.3 kPa. Discussion These results should be regarded as a first step to characterizing the metabolic response and acute tolerance of multiple coral hosts and algal symbionts to a wide range of oxygen concentrations. Given that some PO2 crit values were above the generally accepted hypoxia threshold, these results have implications for the community composition of reefs under a rapidly changing climate and can guide purposeful reef restoration.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

مقدمة يؤدي تغير المناخ، والزيادة في درجة حرارة سطح البحر، إلى تفاقم نزع الأكسجين من المحيطات بسبب الخاصية المتأصلة لمياه البحر لعزل الغاز الأقل ذوبانًا، مثل الأكسجين، في درجات حرارة أكثر دفئًا. في حين تركز معظم دراسات الشعاب المرجانية على آثار الإجهاد الحراري وتحمض المحيطات، فإن القليل من الدراسات تعترف بتهديد نقص الأكسجة. يتم تعريف نقص الأكسجة تقليديًا على أنه 6.3 كيلو باسكال (2 ملغ L -1 O2)، ومع ذلك، فإن عتبة نقص الأكسجة العالمية ليست مفيدة نظرًا للمجموعة الواسعة من الاستجابات بين الكائنات البحرية. نطاق الاستجابات الأيضية والتحمل لنقص الأكسجة غير معروف لأنواع المرجان الكاريبي ومعايشاتها الطحلبية. الهدف هنا، قمنا بقياس طيف تفاوتات نقص الأكسجة الحادة ونطاق الاستجابات الأيضية لستة أنواع مرجانية كاريبية ذات أهمية بيئية وهيكلية (Acropora cervicornis و Siderastrea radians و Siderastrea siderea و Porites astreoides و Porites porites و Orbicella faveolata) ومعايشاتها الطحلبية (Symbiodinium و Breviolum و Durusdinium spp.). الطرق تعرض ما مجموعه 24 شظية مرجانية (4 أفراد لكل نوع) إلى 10 تركيزات أكسجين متميزة تتراوح من نورموكسيا (20.38 كيلو باسكال) إلى نقص الأكسجة الحاد (3.3 كيلو باسكال). استخدمنا قياس التنفس بالتدفق المتقطع لقياس تنفس المضيف المرجاني في التمثيل الضوئي التكافلي المظلم والطحالب في الضوء عند كل مستوى من مستويات الأكسجين. حددنا خطًا الأنسب لمعدل الأيض مقابل بيانات PO2 وقمنا بحساب الضغط الجزئي للأكسجين الحرج (PO2 Crit)، وهي طريقة لم يتم اختبارها على الأجناس التكافلية. أظهرت أنواع المرجان ومعايشاتها الطحلبية التي تم قياسها هنا مجموعة واسعة من درجات تحمل نقص الأكسجة. بالنسبة للمضيفات المرجانية، اختلفت القيم الحرجة لـ PO2 تقريبًا بمقدار ضعفين تتراوح من 5.74 كيلو باسكال إلى 16.93 كيلو باسكال، وبالنسبة للتكافل الطحالب، اختلفت القيم الحرجة لـ PO2 تقريبًا بمقدار ثلاثة أضعاف تتراوح من 3.9 كيلو باسكال إلى 11.3 كيلو باسكال. مناقشة يجب اعتبار هذه النتائج كخطوة أولى لتوصيف الاستجابة الأيضية والتسامح الحاد لمضيفات المرجان المتعددة والتكافل الطحالب لمجموعة واسعة من تركيزات الأكسجين. بالنظر إلى أن بعض القيم الحرجة لـ PO2 كانت أعلى من عتبة نقص الأكسجة المقبولة عمومًا، فإن هذه النتائج لها آثار على تكوين المجتمع للشعاب المرجانية في ظل مناخ سريع التغير ويمكن أن توجه استعادة الشعاب المرجانية الهادفة.

Translated Description (French)

Introduction Le changement climatique et l'augmentation de la température de la surface de la mer exacerbent la désoxygénation des océans en raison de la propriété inhérente de l'eau de mer de séquestrer moins de gaz dissous, comme l'oxygène, à des températures plus chaudes. Alors que la plupart des études sur les récifs coralliens se concentrent sur les effets du stress thermique et de l'acidification des océans, peu d'études reconnaissent la menace de l'hypoxie. L'hypoxie est traditionnellement définie comme 6,3 kPa (2 mg L-1 O2), cependant, un seuil d'hypoxie universel n'est pas utile compte tenu de la vaste gamme de réponses parmi les organismes marins. La gamme des réponses métaboliques et des tolérances à l'hypoxie est inconnue pour les espèces de coraux des Caraïbes et leurs symbiotes d'algues. Objectif Ici, nous avons quantifié le spectre des tolérances d'hypoxie aiguë et la gamme des réponses métaboliques de six espèces de coraux des Caraïbes écologiquement et structurellement importantes (Acropora cervicornis, Siderastrea radians, Siderastrea siderea, Porites astreoides, Porites porites et Orbicella faveolata) et de leurs symbiotes d'algues (Symbiodinium, Breviolum et Durusdinium spp.). Méthodes Un total de 24 fragments de corail (4 individus par espèce) ont été exposés à 10 concentrations d'oxygène distinctes allant de la normoxie (20,38 kPa) à l'hypoxie sévère (3,3 kPa). Nous avons utilisé la respirométrie à flux intermittent pour mesurer la respiration de l'hôte corallien dans l'obscurité et la photosynthèse des symbiotes d'algues dans la lumière à chaque niveau d'oxygène. Nous avons déterminé une ligne de meilleur ajustement pour les données du taux métabolique par rapport à la PO2 et calculé la pression partielle critique d'oxygène (PO2 crit), une méthode qui n'a pas été testée sur les espèces symbiotiques. Résultats Les espèces de coraux et leurs symbiotes d'algues mesurés ici présentaient un large éventail de tolérances à l'hypoxie. Pour les hôtes coralliens, les valeurs des critères PO2 différaient à peu près du double, allant de 5,74 kPa à 16,93 kPa, et pour les symbiotes d'algues, les valeurs des critères PO2 différaient à peu près du triple, allant de 3,9 kPa à 11,3 kPa. Discussion Ces résultats doivent être considérés comme une première étape pour caractériser la réponse métabolique et la tolérance aiguë de plusieurs hôtes coralliens et symbiotes d'algues à un large éventail de concentrations d'oxygène. Étant donné que certaines valeurs de critère PO2 étaient supérieures au seuil d'hypoxie généralement accepté, ces résultats ont des implications sur la composition communautaire des récifs dans un climat en évolution rapide et peuvent guider une restauration ciblée des récifs.

Translated Description (Spanish)

Introducción El cambio climático y el aumento de la temperatura de la superficie del mar están exacerbando la desoxigenación de los océanos debido a la propiedad inherente del agua de mar de secuestrar menos gas disuelto, como el oxígeno, a temperaturas más cálidas. Si bien la mayoría de los estudios sobre arrecifes de coral se centran en los efectos del estrés térmico y la acidificación de los océanos, pocos estudios reconocen la amenaza de la hipoxia. La hipoxia se define tradicionalmente como 6,3 kPa (2 mg L-1 O2), sin embargo, un umbral de hipoxia universal no es útil dada la amplia gama de respuestas entre los organismos marinos. Se desconoce el rango de respuestas metabólicas y tolerancias a la hipoxia para las especies de coral del Caribe y sus simbiontes de algas. Objetivo Aquí, cuantificamos el espectro de tolerancias de hipoxia aguda y el rango de respuestas metabólicas de seis especies de coral caribeñas de importancia ecológica y estructural (Acropora cervicornis, Siderastrea radians, Siderastrea siderea, Porites astreoides, Porites porites y Orbicella faveolata) y sus simbiontes de algas (Symbiodinium, Breviolum y Durusdinium spp.). Métodos Un total de 24 fragmentos de coral (4 individuos por especie) se expusieron a 10 concentraciones distintas de oxígeno que van desde normoxia (20,38 kPa) hasta hipoxia severa (3,3 kPa). Utilizamos la respirometría de flujo intermitente para medir la respiración del coral huésped en la oscuridad y la fotosíntesis de simbiontes de algas en la luz en cada nivel de oxígeno. Determinamos una línea de mejor ajuste para la tasa metabólica frente a los datos de pO2 y calculamos la presión parcial crítica de oxígeno (pO2 crit), un método que no se ha probado en especies simbióticas. Resultados Las especies de coral y sus simbiontes de algas medidas aquí mostraron una amplia gama de tolerancias a la hipoxia. Para los hospedadores de coral, los valores de crit de pO2 difirieron aproximadamente dos veces, variando de 5,74 kPa a 16,93 kPa, y para los simbiontes de algas, los valores de crit de pO2 difirieron aproximadamente tres veces, variando de 3,9 kPa a 11,3 kPa. Discusión Estos resultados deben considerarse como un primer paso para caracterizar la respuesta metabólica y la tolerancia aguda de múltiples huéspedes coralinos y simbiontes de algas a una amplia gama de concentraciones de oxígeno. Dado que algunos valores de crit de pO2 estaban por encima del umbral de hipoxia generalmente aceptado, estos resultados tienen implicaciones para la composición comunitaria de los arrecifes en un clima que cambia rápidamente y pueden guiar la restauración intencional de los arrecifes.

Files

pdf.pdf

Files (1.1 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:6a944b5eefda1144e19afa9e5845ecc7
1.1 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تظهر الشعاب المرجانية في منطقة البحر الكاريبي تحملًا متغيرًا للغاية لنقص الأكسجة الحاد
Translated title (French)
Les coraux scléractiniens des Caraïbes présentent des tolérances très variables à l'hypoxie aiguë
Translated title (Spanish)
Los corales escleractinios del Caribe exhiben tolerancias muy variables a la hipoxia aguda

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4377042888
DOI
10.3389/fmars.2023.1120262

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Jordan

References

  • https://openalex.org/W1899749546
  • https://openalex.org/W1964504982
  • https://openalex.org/W1966872871
  • https://openalex.org/W1978223565
  • https://openalex.org/W1993356483
  • https://openalex.org/W2011435702
  • https://openalex.org/W2032627756
  • https://openalex.org/W2089566140
  • https://openalex.org/W2104288201
  • https://openalex.org/W2104893775
  • https://openalex.org/W2108191727
  • https://openalex.org/W2125756459
  • https://openalex.org/W2132446930
  • https://openalex.org/W2145174073
  • https://openalex.org/W2282831461
  • https://openalex.org/W2289715355
  • https://openalex.org/W2342876405
  • https://openalex.org/W2592049846
  • https://openalex.org/W2597848358
  • https://openalex.org/W2605046840
  • https://openalex.org/W2614324198
  • https://openalex.org/W2901124219
  • https://openalex.org/W2904932822
  • https://openalex.org/W2931040511
  • https://openalex.org/W2991230885
  • https://openalex.org/W2991233023
  • https://openalex.org/W2993492454
  • https://openalex.org/W3014480380
  • https://openalex.org/W3019716666
  • https://openalex.org/W3027051125
  • https://openalex.org/W3037274336
  • https://openalex.org/W3037859470
  • https://openalex.org/W3120584419
  • https://openalex.org/W3134955942
  • https://openalex.org/W3190522080
  • https://openalex.org/W3212602635
  • https://openalex.org/W3216642159
  • https://openalex.org/W4229066899
  • https://openalex.org/W4285802736
  • https://openalex.org/W4307635562
  • https://openalex.org/W4307745005
  • https://openalex.org/W4327568978