Abstract Vibrio coralliilyticus ( Vcor ) is a pathogen of coral and shellfish, leading to devastating economic and ecological consequences worldwide. Although rising ocean temperatures correlate with increased Vcor pathogenicity, the specific molecular mechanisms and determinants contributing to virulence remain poorly understood. Here, we systematically analyzed the type VI secretion system (T6SS), a contact-dependent toxin delivery apparatus, in Vcor . We identified two omnipresent T6SSs that are activated at temperatures in which Vcor becomes virulent; T6SS1 is an antibacterial system mediating interbacterial competition, whereas T6SS2 mediates anti-eukaryotic toxicity and contributes to mortality during infection of an aquatic model organism, Artemia salina . Using comparative proteomics, we identified the T6SS1 and T6SS2 toxin arsenals of three Vcor strains with distinct disease etiologies. Remarkably, T6SS2 secretes at least nine novel anti-eukaryotic toxins comprising core and accessory repertoires. We propose that T6SSs differently contribute to Vcor ’s virulence: T6SS2 plays a direct role by targeting the host, while T6SS1 plays an indirect role by eliminating competitors. Author Summary Coral reefs are diverse ecosystems providing habitats for various fish, invertebrates, and microorganisms. Climate change, leading to rising ocean water temperatures, correlates with coral bleaching and mass mortality events. An implicated causal agent of coral disease outbreaks is the marine bacterium Vibrio coralliilyticus . Here, we found that two toxin injection systems present in all Vibrio coralliilyticus strains are regulated by temperature; we revealed the toxins that they secrete and their function in competition against rival bacteria and in the intoxication of an animal host. Our findings implicate these systems as previously unappreciated contributors to Vibrio coralliilyticus virulence, illuminating possible targets to treat or prevent coral infection.

Vibrio coralliilyticus is a pathogen of coral and shellfish, leading to devastating economic and ecological consequences worldwide. Although rising ocean temperatures correlate with increased V . coralliilyticus pathogenicity, the specific molecular mechanisms and determinants contributing to virulence remain poorly understood. Here, we systematically analyzed the type VI secretion system (T6SS), a contact-dependent toxin delivery apparatus, in V . coralliilyticus . We identified 2 omnipresent T6SSs that are activated at temperatures in which V . coralliilyticus becomes virulent; T6SS1 is an antibacterial system mediating interbacterial competition, whereas T6SS2 mediates anti-eukaryotic toxicity and contributes to mortality during infection of an aquatic model organism, Artemia salina . Using comparative proteomics, we identified the T6SS1 and T6SS2 toxin arsenals of 3 V . coralliilyticus strains with distinct disease etiologies. Remarkably, T6SS2 secretes at least 9 novel anti-eukaryotic toxins comprising core and accessory repertoires. We propose that T6SSs differently contribute to V . coralliilyticus ’s virulence: T6SS2 plays a direct role by targeting the host, while T6SS1 plays an indirect role by eliminating competitors.

ABSTRACT The bacterial pathogen Vibrio coralliilyticus ( Vcor ) causes disease in coral species worldwide. The mechanisms of Vcor coral colonization, coral microbiome interactions, and virulence factor production are understudied. In other model Vibrio species, virulence factors like biofilm formation, toxin secretion, and protease production are controlled through a density-dependent communication system called quorum sensing (QS). Comparative genomics indicated that V. coralliilyticus genomes share high sequence identity for most of the QS signaling and regulatory components identified in other Vibrio species. Here, we identify an active QS signaling pathway in two V. coralliilyticus strains with distinct infection etiologies: type strain BAA-450 and coral isolate OCN008. The inter-species AI-2 autoinducer signaling pathway in both strains controls expression of the master QS transcription factor VcpR to regulate >300 genes, including protease production, biofilm formation, and two conserved type VI secretion systems (T6SSs). Activation of T6SS1 by QS results in secretion of effectors and enables interbacterial competition and killing of prey bacteria. We conclude that the QS system in V. coralliilyticus is functional and controls expression of genes involved in relevant bacterial behaviors that may influence coral infection. IMPORTANCE Vibrio coralliilyticus infects many marine organisms, including multiple species of corals, and is a primary causative agent of tissue loss diseases and bacterial-induced bleaching. Here we investigate a common cell-cell communication mechanism called quorum sensing, which is known to be intimately connected to virulence in other Vibrio species. Our genetic and chemical studies of V. coralliilyticus quorum sensing uncovered an active pathway that directly regulates key virulence factors: proteases, biofilms, and secretion systems. These findings connect bacterial signaling in communities to infection of corals, which may lead to novel treatments and earlier diagnoses of coral diseases in reefs.

Intestinal bacteria, including the facultative pathogen Vibrio cholerae , can adapt to a wide range of osmotic environments. In high-osmolarity media, bacteria accumulate small compatible metabolites to maintain turgor pressure, but under drastic osmotic down-shifts bacteria are able to avoid mechanical rupture by rapidly releasing these metabolites through mechanosensitive (MS) channels. Previous experiments on V. cholerae have identified two major types of MS channels - MscS and MscL. We functionally examine these channels' specific roles in Vibrio's osmotic rescuing via genetic modification, bacterial patch-clamp electrophysiology, and stopped-flow light scattering. The light scattering kinetics revealed that WT Vibrio cells were capable of releasing up to 10% of their total non-aqueous content within ∼30 ms. To investigate each channel's individual contribution to V. cholerae's osmotic permeability response, we generated and characterized the first individual ΔmscS, ΔmscL , and double ΔmscL ΔmscS mutants in V. cholerae O395. Both mutants lacking MscS exhibited delayed osmolyte release kinetics and decreased osmotic survival rates compared to WT. Surprisingly, the ΔmscL mutant had comparable kinetics to WT, but a much higher osmotic survival, whereas Δ mscS had low survival, comparable to the double ΔmscL Δ mscS mutant. The data indicate that MscS is much more efficient in osmotic adjustment and is up-regulated in the absence of MscL, whereas in the absence of the low-threshold MscS, MscL even becomes toxic. Kinetic modeling of the cell swelling process and channel activation reveals the advantage of low-threshold MscS in curbing tension surges in Vibrio and its role in proper termination of the osmotic permeability response.

Abstract Stony coral tissue loss disease, first observed in Florida in 2014, has now spread along the entire Florida Reef Tract and on reefs in many Caribbean countries. The disease affects a variety of coral species with differential outcomes, and in many instances results in whole-colony mortality. We employed untargeted metabolomic profiling of Montastraea cavernosa corals affected by stony coral tissue loss disease to identify metabolic markers of disease. Herein, extracts from apparently healthy, diseased, and recovered corals, Montastraea cavernosa , collected at a reef site near Ft. Lauderdale, Florida were subjected to liquid-chromatography mass spectrometry-based metabolomics. Unsupervised principal component analysis reveals wide variation in metabolomic profiles of healthy corals of the same species, which differ from diseased corals. Using a combination of supervised and unsupervised data analyses tools, we describe metabolite features that explain variation between the apparently healthy corals, between diseased corals, and between the healthy and the diseased corals. By employing a culture-based approach, we assign sources of a subset of these molecules to the endosymbiotic dinoflagellates, Symbiodiniaceae. Specifically, we identify various endosymbiont-specific lipid classes, such as betaine lipids, glycolipids, and tocopherols, which differentiate samples taken from apparently healthy corals and diseased corals. Given the variation observed in metabolite fingerprints of corals, our data suggests that metabolomics is a viable approach to link metabolite profiles of different coral species with their susceptibility and resilience to numerous coral diseases spreading through reefs worldwide.

Marine bacteria experience fluctuations in osmolarity that they must adapt to, and most bacteria respond to high osmolarity by accumulating compatible solutes also known as osmolytes. The osmotic stress response and compatible solutes used by the coral and oyster pathogen Vibrio coralliilyticus were unknown. In this study, we showed that to alleviate osmotic stress V. coralliilyticus biosynthesized glycine betaine (GB) and transported into the cell choline, GB, ectoine, dimethylglycine, and dimethylsulfoniopropionate, but not myo -inositol. Myo -inositol is a stress protectant and a signaling molecule that is biosynthesized and used by algae. Bioinformatics identified myo -inositol ( iol ) catabolism clusters in V. coralliilyticus and other Vibrio, Photobacterium, Grimontia, and Enterovibrio species. Growth pattern analysis demonstrated that V. coralliilyticus utilized myo -inositol as a sole carbon source, with a short lag time of 3 h. An iolG deletion mutant, which encodes an inositol dehydrogenase, was unable to grow on myo -inositol. Within the iol clusters were an MFS-type ( iolT1) and an ABC-type ( iolXYZ) transporter and analyses showed that both transported myo -inositol. IolG and IolA phylogeny among Vibrionaceae species showed different evolutionary histories indicating multiple acquisition events. Outside of Vibrionaceae , IolG was most closely related to IolG from a small group of Aeromonas fish and human pathogens and Providencia species. However, IolG from hypervirulent A. hydrophila strains clustered with IolG from Enterobacter, and divergently from Pectobacterium, Brenneria, and Dickeya plant pathogens. The iol cluster was also present within Aliiroseovarius, Burkholderia, Endozoicomonas, Halomonas, Labrenzia, Marinomonas, Marinobacterium, Cobetia, Pantoea, and Pseudomonas, of which many species were associated with marine flora and fauna. IMPORTANCE Host associated bacteria such as V. coralliilyticus encounter competition for nutrients and have evolved metabolic strategies to better compete for food. Emerging studies show that myo -inositol is exchanged in the coral-algae symbiosis, is likely involved in signaling, but is also an osmolyte in algae. The bacterial consumption of myo -inositol could contribute to a breakdown of the coral-algae symbiosis during thermal stress or disrupt the coral microbiome. Phylogenetic analyses showed that the evolutionary history of myo -inositol metabolism is complex, acquired multiple times in Vibrio, but acquired once in many bacterial plant pathogens. Further analysis also showed that a conserved iol cluster is prevalent among many marine species (commensals, mutualists, and pathogens) associated with marine flora and fauna, algae, sponges, corals, molluscs, crustaceans, and fish.

As many as 22 of the 45 coral species on the Florida Reef Tract are currently affected by stony coral tissue loss disease (SCTLD). The ongoing disease outbreak was first observed in 2014 in Southeast Florida near Miami and as of early 2019 has been documented from the northernmost reaches of the reef tract in Martin County down to Key West. We examined the microbiota associated with disease lesions and apparently healthy tissue on diseased colonies of Montastraea cavernosa, Orbicella faveolata, Diploria labyrinthiformis , and Dichocoenia stokesii . Analysis of differentially abundant taxa between disease lesions and apparently healthy tissue identified five unique amplicon sequence variants enriched in the diseased tissue in three of the coral species, namely an unclassified genus of Flavobacteriales and sequences identified as Fusibacter (Clostridiales), Planktotalea (Rhodobacterales), Algicola (Alteromonadales), and Vibrio (Vibrionales). In addition, several groups of likely opportunistic or saprophytic colonizers such as Epsilonbacteraeota, Patescibacteria, Clostridiales, Bacteroidetes, and Rhodobacterales were also enriched in SCTLD disease lesions. This work represents the first microbiological characterization of SCTLD, as an initial step toward identifying the potential pathogen(s) responsible for SCTLD.