Abstract Despite being one of the simplest metazoans, corals harbor some of the most highly diverse and abundant microbial communities. Differentiating core, symbiotic bacteria from this diverse host-associated consortium is essential for characterizing the functional contributions of bacteria but has not been possible yet. Here we characterize the coral core microbiome and demonstrate clear phylogenetic and functional divisions between the micro-scale, niche habitats within the coral host. In doing so, we discover seven distinct bacterial phylotypes that are universal to the core microbiome of coral species, separated by thousands of kilometres of oceans. The two most abundant phylotypes are co-localized specifically with the corals’ endosymbiotic algae and symbiont-containing host cells. These bacterial symbioses likely facilitate the success of the dinoflagellate endosymbiosis with corals in diverse environmental regimes.

Marine bacteria play a central role in the degradation of dimethylsulfoniopropionate (DMSP) to dimethyl sulfide (DMS) and acrylic acid, DMS being critical to cloud formation and thereby cooling effects on the climate. High concentrations of DMSP and DMS have been reported in scleractinian coral tissues although, to date, there have been no investigations into the influence of these organic sulfur compounds on coral-associated bacteria. Two coral species, Montipora aequituberculata and Acropora millepora, were sampled and their bacterial communities were characterized by both culture-dependent and molecular techniques. Four genera, Roseobacter, Spongiobacter, Vibrio, and Alteromonas, which were isolated on media with either DMSP or DMS as the sole carbon source, comprised the majority of clones retrieved from coral mucus and tissue 16S rRNA gene clone libraries. Clones affiliated with Roseobacter sp. constituted 28% of the M. aequituberculata tissue libraries, while 59% of the clones from the A. millepora libraries were affiliated with sequences related to the Spongiobacter genus. Vibrio spp. were commonly isolated from DMS and acrylic acid enrichments and were also present in 16S rRNA gene libraries from coral mucus, suggesting that under "normal" environmental conditions, they are a natural component of coral-associated communities. Genes homologous to dddD, and dddL, previously implicated in DMSP degradation, were also characterized from isolated strains, confirming that bacteria associated with corals have the potential to metabolize this sulfur compound when present in coral tissues. Our results demonstrate that DMSP, DMS, and acrylic acid potentially act as nutrient sources for coral-associated bacteria and that these sulfur compounds are likely to play a role in structuring bacterial communities in corals, with important consequences for the health of both corals and coral reef ecosystems.

Recurrent mass bleaching events are pushing coral reefs worldwide to the brink of ecological collapse. While the symptoms and consequences of this breakdown of the coral-algal symbiosis have been extensively characterized, our understanding of the underlying causes remains incomplete. Here, we investigated the nutrient fluxes and the physiological as well as molecular responses of the widespread coral Stylophora pistillata to heat stress prior to the onset of bleaching to identify processes involved in the breakdown of the coral-algal symbiosis. We show that altered nutrient cycling during heat stress is a primary driver of the functional breakdown of the symbiosis. Heat stress increased the metabolic energy demand of the coral host, which was compensated by the catabolic degradation of amino acids. The resulting shift from net uptake to release of ammonium by the coral holobiont subsequently promoted the growth of algal symbionts and retention of photosynthates. Together, these processes form a feedback loop that will gradually lead to the decoupling of carbon translocation from the symbiont to the host. Energy limitation and altered symbiotic nutrient cycling are thus key factors in the early heat stress response, directly contributing to the breakdown of the coral-algal symbiosis. Interpreting the stability of the coral holobiont in light of its metabolic interactions provides a missing link in our understanding of the environmental drivers of bleaching and may ultimately help uncover fundamental processes underpinning the functioning of endosymbioses in general.

Abstract Symbiotic cnidarians such as corals and anemones form highly productive and biodiverse coral-reef ecosystems in nutrient-poor ocean environments, a phenomenon known as Darwin’s Paradox. Resolving this paradox requires elucidating the molecular bases of efficient nutrient distribution and recycling in the cnidarian-dinoflagellate symbiosis. Using the sea anemone Aiptasia, we show that during symbiosis, the increased availability of glucose and the presence of the algae jointly induce the coordinated upregulation and re-localization of glucose and ammonium transporters. These molecular responses are critical to support symbiont functioning and organism-wide nitrogen assimilation through GS/GOGAT-mediated amino-acid biosynthesis. Our results reveal crucial aspects of the molecular mechanisms underlying nitrogen conservation and recycling in these organisms that allow them to thrive in the nitrogen-poor ocean environments. One-sentence summary Whole-organism nitrogen assimilation fueled by glucose from symbiotic algae enables corals to flourish in oligotrophic waters.

Abstract Photosynthetic eukaryotes, such as microalgae and plants, foster fundamentally important relationships with their microbiome based on the reciprocal exchange of chemical currencies. Among these, the dicarboxylate metabolite azelaic acid (Aze) appears to play an important, but heterogeneous, role in modulating these microbiomes, as it is used as a carbon source for some heterotrophs but is toxic to others. However, the ability of Aze to promote or inhibit growth, as well as its uptake and assimilation mechanisms into bacterial cells are mostly unknown. Here, we use transcriptomics, transcriptional factor coexpression networks, uptake experiments, and metabolomics to unravel the uptake, catabolism and toxicity of Aze on two microalgal-associated bacteria, Phycobacter and Alteromonas , whose growth is promoted or inhibited by Aze, respectively. We identify the first putative Aze transporter in bacteria, a ‘C 4 -TRAP transporter’, and show that Aze is assimilated through fatty acid degradation, with further catabolism occurring through the glyoxylate and butanoate metabolism pathways when used as a carbon source. Phycobacter took up Aze at an initial uptake rate of 3.8×10 -9 nmol cell -1 hr -1 and utilized it as a carbon source in concentrations ranging from 10 μM -1 mM, suggesting a broad range of acclimation to Aze availability. For inhibited bacteria, we infer that Aze inhibits the ribosome and/or protein synthesis and that a suite of efflux pumps is utilized to shuttle Aze outside the cytoplasm. We demonstrate that seawater amended with Aze becomes enriched in bacterial families that can catabolise Aze, which appears to be a different mechanism from that in soil, where modulation by the host plant is required. This study enhances our understanding of carbon cycling in the oceans and how microscale chemical interactions can structure marine microbial populations. In addition, our findings unravel the role of a key chemical currency in the modulation of eukaryote-microbiome interactions across diverse ecosystems.

The symbiosis between cnidarian hosts and microalgae of the genus Symbiodinium provides the foundation of coral reefs in oligotrophic waters. Understanding the nutrient-exchange between these partners is key to identifying the fundamental mechanisms behind this symbiosis. However, deciphering the individual role of host and algal partners in the uptake and cycling of nutrients has proven difficult, given the endosymbiotic nature of this relationship. In this study, we highlight the advantages of the emerging model system Aiptasia to investigate the metabolic diversity and specificity of cnidarian-dinoflagellate symbiosis. For this, we combined traditional measurements with nano-scale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) and stable isotope labeling to investigate carbon and nitrogen cycling both at the organismal scale and the cellular scale. Our results suggest that the individual nutrient assimilation by hosts and symbionts depends on the identity of their respective symbiotic partner. Further, δ13C enrichment patterns revealed that alterations in carbon fixation rates only affected carbon assimilation in the cnidarian host but not the algal symbiont, suggesting a 'selfish' character of this symbiotic association. Based on our findings, we identify new venues for future research regarding the role and regulation of nutrient exchange in the cnidarian-dinoflagellate symbiosis. In this context, the model system approach outlined in this study constitutes a powerful tool set to address these questions.

The coral holobiont is underpinned by complex metabolic exchanges between different symbiotic partners, which are impacted by environmental stressors. The chemical diversity of the compounds produced by the holobiont is high and includes primary and secondary metabolites, as well as volatiles. However, metabolites and volatiles have only been characterised in isolation so far. Here, we applied a paired metabolomic-volatilomic approach to characterise holistically the chemical response of the holobiont under stress. Montipora mollis fragments were subjected to high-light stress (8-fold higher than the controls) for 30 min. Photosystem II (PSII) photochemical efficiency values were 7-fold higher in control versus treatment corals immediately following high-light exposure, but returned to pre-stress levels after 30 min of recovery. Under high-light stress, we identified an increase in carbohydrates (> 5-fold increase in arabinose and fructose) and saturated fatty acids (7-fold increase in myristic and oleic acid), together with a decrease in fatty acid derivatives in both metabolites and volatiles (e.g., 80% decrease in oleamide and nonanal), and other antioxidants (~ 85% decrease in sorbitol and galactitol). These changes suggest short-term light stress induces oxidative stress. Correlation analysis between volatiles and metabolites identified positive links between sorbitol, galactitol, six other metabolites and 11 volatiles, with four of these compounds previously identified as antioxidants. This suggests that these 19 compounds may be related and share similar functions. Taken together, our findings demonstrate how paired metabolomics-volatilomics may illuminate broader metabolic shifts occurring under stress and identify linkages between uncharacterised compounds to putatively determine their functions.

Abstract Animal guts contain numerous microbes, which are critical for nutrient assimilation and pathogen defence. While corals and other Cnidaria lack a true differentiated gut, they possess gastrovascular cavities (GVCs), semi-enclosed compartments where vital processes such as digestion, reproduction and symbiotic exchanges take place. The microbiome harboured in GVCs is therefore likely key to holobiont fitness, but remains severely understudied due to challenges of working in these small compartments. Here, we developed minimally invasive methodologies to sample the GVC of coral polyps and characterise the microbial communities harboured within. We used glass capillaries, low dead volume microneedles, or nylon microswabs to sample the gastric microbiome of individual polyps from six species of corals, then applied low-input DNA extraction to characterise the microbial communities from these microliter volume samples. Microsensor measurements of GVCs revealed anoxic or hypoxic micro-niches, which persist even under prolonged illumination with saturating irradiance. These niches harboured microbial communities enriched in putatively microaerophilic or facultatively anaerobic taxa, such as Epsilonproteobacteria. Some core taxa found in the GVC of Lobophyllia hemprichii from the Great Barrier Reef were also detected in conspecific colonies held in aquaria, indicating that these associations are unlikely to be transient. Our findings suggest that the coral GVC is chemically and microbiologically similar to the gut of higher Metazoa. Given the importance of gut microbiomes in mediating animal health, harnessing the coral “gut microbiome” may foster novel active interventions aimed at increasing the resilience of coral reefs to the climate crisis.

In the marine environment, seaweeds (i.e. marine macroalgae) provide a wide range of ecological services and economic benefits. Like land plants, seaweeds do not provide these services in isolation, rather they rely on their associated microbial communities, which together with the host form the seaweed holobiont. However, there is a poor understanding of the mechanisms shaping these complex seaweed-microbe interactions, and of the evolutionary processes underlying these interactions. Here, we identify the current research challenges and opportunities in the field of seaweed holobiont biology. We argue that identifying the key microbial partners, knowing how they are recruited, and understanding their specific function and their relevance across all seaweed life history stages are among the knowledge gaps that are particularly important to address, especially in the context of the environmental challenges threatening seaweeds. We further discuss future approaches to study seaweed holobionts, and how we can apply the holobiont concept to natural or engineered seaweed ecosystems.