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Denis Allemand
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Sources and Mechanisms of Inorganic Carbon Transport for Coral Calcification and Photosynthesis

Paola Furla et al.Nov 15, 2000
ABSTRACT The sources and mechanisms of inorganic carbon transport for scleractinian coral calcification and photosynthesis were studied using a double labelling technique with H14 CO3 and 45 Ca. Clones of Stylophora pistillata that had developed into microcolonies were examined. Compartmental and pharmacological analyses of the distribution of 45 Ca and H14 CO3 in the coelenteron, tissues and skeleton were performed in dark or light conditions or in the presence of various seawater HCO3− concentrations. For calcification, irrespective of the lighting conditions, the major source of dissolved inorganic carbon (DIC) is metabolic CO2 (70–75 % of total CaCO3 deposition), while only 25–30 % originates from the external medium (seawater carbon pool). These results are in agreement with the observation that metabolic CO2 production in the light is at least six times greater than is required for calcification. This source is dependent on carbonic anhydrase activity because it is sensitive to ethoxyzolamide. Seawater DIC is transferred from the external medium to the coral skeleton by two different pathways: from sea water to the coelenteron, the passive paracellular pathway is largely sufficient, while a DIDS-sensitive transcellular pathway appears to mediate the flux across calicoblastic cells. Irrespective of the source, an anion exchanger performs the secretion of DIC at the site of calcification. Furthermore, a fourfold light-enhanced calcification of Stylophora pistillata microcolonies was measured. This stimulation was only effective after a lag of 10 min. These results are discussed in the context of light-enhanced calcification. Characterisation of the DIC supply for symbiotic dinoflagellate photosynthesis demonstrated the presence of a DIC pool within the tissues. The size of this pool was dependent on the lighting conditions, since it increased 39-fold after 3 h of illumination. Passive DIC equilibration through oral tissues between sea water and the coelenteric cavity is insufficient to supply this DIC pool, suggesting that there is an active transepithelial absorption of inorganic carbon sensitive to DIDS, ethoxyzolamide and iodide. These results confirm the presence of CO2-concentrating mechanisms in coral cells. The tissue pool is not, however, used as a source for calcification since no significant lag phase in the incorporation of external seawater DIC was measured.
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Biomineralisation in reef-building corals: from molecular mechanisms to environmental control

Denis Allemand et al.Oct 1, 2004
Coral reefs constitute real oasis sheltering for about one third of the identified fishes, representing a major advantage for the economy and tourism of many tropical countries. However it is paradoxical to notice that their formation at the cellular level or even at the scale of the organism is still poorly known. Effectively, biomineralisation, the process that is at the basis of their edification, is always the subject of numerous researches. Two combined mechanisms lead to the formation of a biomineral, the synthesis/secretion of macromolecules referred to as ‘organic matrix’, and the transport of ions (calcium, bicarbonates and protons in the case of calcification) to the mineralising site. This review shows a view of the works carried out on biomineralisation in scleractinian corals, including some aspects on the control of calcification by environmental parameters. It also gives insights into the biological basis of the use of coral skeletons as environmental archives in palaeo-oceanography. To cite this article: D. Allemand et al., C. R. Palevol 3 (2004). La biominéralisation chez les coraux constructeurs de récifs : des mécanismes moléculaires à la formation du récif. Alors que les récifs coralliens forment de véritables oasis hébergeant environ un tiers des poissons décrits et constituent un atout majeur pour l’économie et le tourisme de nombreux pays tropicaux, il est curieux de constater que leur formation à l’échelle cellulaire ou de l’organisme est encore peu connue. Le processus à la base de leur édification, la biominéralisation, est, il est vrai, peu compris, même s’il fait actuellement l’objet de nombreuses recherches. Deux mécanismes sont associés pour la formation d’un biominéral : la synthèse et la sécrétion de macromolécules, appelées « matrice organique », et le transport sur le site de minéralisation d’ions (calcium, bicarbonate et protons dans le cas de la calcification). Cet article présente une synthèse des travaux concernant la biominéralisation chez les coraux scléractiniaires ainsi que quelques aspects plus appliqués sur le contrôle de la calcification par les paramètres environnementaux. Il donne aussi un aperçu des bases biologiques de l’utilisation des squelettes coralliens comme archives environnementales en paléocéanographie. Pour citer cet article : D. Allemand et al., C. R. Palevol 3 (2004).
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Impact of seawater acidification on pH at the tissue–skeleton interface and calcification in reef corals

Alexander Venn et al.Dec 31, 2012
Insight into the response of reef corals and other major marine calcifiers to ocean acidification is limited by a lack of knowledge about how seawater pH and carbonate chemistry impact the physiological processes that drive biomineralization. Ocean acidification is proposed to reduce calcification rates in corals by causing declines in internal pH at the calcifying tissue-skeleton interface where biomineralization takes place. Here, we performed an in vivo study on how partial-pressure CO(2)-driven seawater acidification impacts intracellular pH in coral calcifying cells and extracellular pH in the fluid at the tissue-skeleton interface [subcalicoblastic medium (SCM)] in the coral Stylophora pistillata. We also measured calcification in corals grown under the same conditions of seawater acidification by measuring lateral growth of colonies and growth of aragonite crystals under the calcifying tissue. Our findings confirm that seawater acidification decreases pH of the SCM, but this decrease is gradual relative to the surrounding seawater, leading to an increasing pH gradient between the SCM and seawater. Reductions in calcification rate, both at the level of crystals and whole colonies, were only observed in our lowest pH treatment when pH was significantly depressed in the calcifying cells in addition to the SCM. Overall, our findings suggest that reef corals may mitigate the effects of seawater acidification by regulating pH in the SCM, but they also highlight the role of calcifying cell pH homeostasis in determining the response of reef corals to changes in external seawater pH and carbonate chemistry.
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Live Tissue Imaging Shows Reef Corals Elevate pH under Their Calcifying Tissue Relative to Seawater

Alexander Venn et al.May 27, 2011
The threat posed to coral reefs by changes in seawater pH and carbonate chemistry (ocean acidification) raises the need for a better mechanistic understanding of physiological processes linked to coral calcification. Current models of coral calcification argue that corals elevate extracellular pH under their calcifying tissue relative to seawater to promote skeleton formation, but pH measurements taken from the calcifying tissue of living, intact corals have not been achieved to date. We performed live tissue imaging of the reef coral Stylophora pistillata to determine extracellular pH under the calcifying tissue and intracellular pH in calicoblastic cells. We worked with actively calcifying corals under flowing seawater and show that extracellular pH (pHe) under the calicoblastic epithelium is elevated by ∼0.5 and ∼0.2 pH units relative to the surrounding seawater in light and dark conditions respectively. By contrast, the intracellular pH (pHi) of the calicoblastic epithelium remains stable in the light and dark. Estimates of aragonite saturation states derived from our data indicate the elevation in subcalicoblastic pHe favour calcification and may thus be a critical step in the calcification process. However, the observed close association of the calicoblastic epithelium with the underlying crystals suggests that the calicoblastic cells influence the growth of the coral skeleton by other processes in addition to pHe modification. The procedure used in the current study provides a novel, tangible approach for future investigations into these processes and the impact of environmental change on the cellular mechanisms underpinning coral calcification.
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Pervasive tandem duplications and convergent evolution shape coral genomes

Benjamin Noël et al.May 19, 2022
Abstract Over the last decade, several coral genomes have been sequenced allowing a better understanding of these symbiotic organisms threatened by climate change. Scleractinian corals are reef builders and are central to these ecosystems, providing habitat and food to a great diversity of species. In the frame of the Tara Pacific expedition, we generated two coral genomes, Porites lobata and Pocillopora meandrina with vastly improved contiguity that allowed us to study the functional organisation of these genomes. We annotated their gene catalog and report a relatively higher gene number (43,000 and 32,000 genes respectively) than that found in other public coral genome sequences. This finding is explained by a high number of tandemly duplicated genes (almost a third of the predicted genes). We show that these duplicated genes originate from multiple and distinct duplication events throughout the coral lineage. They contribute to the amplification of gene families, mostly related to immune system and disease-resistance, which we suggest to be functionally linked to coral host resilience. At large, we show the importance of duplicated genes to inform the biology of reef-building corals and provide novel avenues to understand and screen for differences in stress resilience.
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Endogenous viral elements reveal associations between a non-retroviral RNA virus and symbiotic dinoflagellate genomes

Alex Veglia et al.Apr 11, 2022
Abstract Endogenous viral elements (EVEs) offer insight into the evolutionary histories and hosts of contemporary viruses. This study leveraged DNA metagenomics and genomics to detect and infer the host of a non-retroviral dinoflagellate-infecting +ssRNA virus (dinoRNAV) common in coral reefs. As part of the Tara Pacific Expedition, this study surveyed 269 newly sequenced cnidarians and their resident symbiotic dinoflagellates (Symbiodiniaceae), associated metabarcodes, and publicly available metagenomes, revealing 178 dinoRNAV EVEs, predominantly among hydrocoral-dinoflagellate metagenomes. Putative associations between Symbiodiniaceae and dinoRNAV EVEs were corroborated by the characterization of dinoRNAV-like sequences in 17 of 18 scaffold-scale and one chromosome-scale dinoflagellate genome assembly, flanked by characteristically cellular sequences and in proximity to retroelements, suggesting potential mechanisms of integration. EVEs were not detected in dinoflagellate-free (aposymbiotic) cnidarian genome assemblies, including stony corals, hydrocorals, jellyfish, or seawater. The pervasive nature of dinoRNAV EVEs within dinoflagellate genomes (especially Symbiodinium ), as well as their inconsistent within-genome distribution and fragmented nature, suggest ancestral or recurrent integration of this virus with variable conservation. Broadly, these findings illustrate how +ssRNA viruses may obscure their genomes as members of nested symbioses, with implications for host evolution, exaptation, and immunity in the context of reef health and disease.
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From genome wide SNPs to genomic islands of differentiation: the quest for species diagnostic markers in two scleractinian corals,PocilloporaandPorites

Romane Deshuraud et al.Oct 21, 2022
Abstract Coral reefs are of paramount importance in marine ecosystems, where they provide support for a large part of the biodiversity. Being quite sensitive to global changes, they are therefore the prime targets for biodiversity conservation policies. However, such conservation goals require accurate species identification, which are notoriously difficult to get in these highly morphologically variable organisms, rich in cryptic species. There is an acute need for easy-to-use and resolutive species diagnostic molecular markers. The present study builds on the huge sequencing effort developed during the TARA Pacific expedition to develop a genotyping strategy to assign coral samples to the correct species within two coral genera ( Porites and Pocillopora ). For this purpose, we developed a technique that we called “Divergent Fragment” based on the sequencing of a less than 2kb long diagnostic genomic fragment determined from the metagenomic data of a subset of the corals collected. This method has proven to be rapid, resolvable and cost-effective. Sequencing of PCR fragments nested along the species diagnostic fragment allowed us to assign 232 individuals of the genus Pocillopora and 247 individuals of the genus Porites to previously identified independent genetic lineages ( i . e . species). This genotyping method will allow to fully analyze the coral samples collected across the Pacific during the Tara Pacific expedition and opens technological perspectives in the field of population genomics-guided conservation.
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Epigenome-associated phenotypic acclimatization to ocean acidification in a reef-building coral

Yi Liew et al.Sep 13, 2017
Over the last century, the anthropogenic production of CO2 has led to warmer (+0.74 C) and more acidic (-0.1 pH) oceans, resulting in increasingly frequent and severe mass bleaching events worldwide that precipitate global coral reef decline. To mitigate this decline, proposals to augment the stress tolerance of corals through genetic and non-genetic means have been gaining traction. Work on model systems has shown that environmentally induced alterations in DNA methylation can lead to phenotypic acclimatization. While DNA methylation has been observed in corals, its potential role in phenotypic plasticity has not yet been described. Here, we show that, similar to findings in mice, DNA methylation significantly reduces spurious transcription in the Red Sea coral Stylophora pistillata, suggesting the evolutionary conservation of this essential mechanism in corals. Furthermore, we find that DNA methylation also reduces transcriptional noise by fine-tuning the expression of highly expressed genes. Analysis of DNA methylation patterns of corals subjected to long-term pH stress showed widespread changes in pathways regulating cell cycle and body size. Correspondingly, we found significant increases in cell and polyp sizes that resulted in more porous skeletons, supporting the maintenance of linear extension rates under conditions of reduced calcification. These findings suggest an epigenetic component in phenotypic acclimatization, providing corals with an additional mechanism to cope with climate change.
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