Abstract Diversity across algal family Symbiodiniaceae contributes to the environmental resilience of certain coral species. Chlorophyll- a fluorescence measurements are frequently used to determine symbiont health and resilience, but more work is needed to refine these tools and establish how they relate to underlying cellular traits. We examined trait diversity in symbionts from the generas Cladocopium and Durusdinium, collected from 12 aquacultured coral species. Photophysiological metrics (Φ PSII , σ PSII , ρ, τ 1 , τ 2 , ABQ, NPQ, and qP) were assessed using a prototype multi-spectral fluorometer over a variable light protocol which yielded a total of 1360 individual metrics. Photophysiological metrics were then used to establish four unique phenotypic variants. Corals harboring C15 were predominantly found within a single phenotype which clustered separately from all other coral fragments. The majority of Durusdinium dominated colonies also formed a separate phenotype which it shared with a few C1 dominated corals. C15 and D1 symbionts appear to differ in which mechanisms they employ to dissipate excess light energy. Spectrally dependent variability is also observed across phenotypes that may relate to differences in photopigment utilization. Cell physiology (atomic C:N:P, cell size, chlorophyll- a , neutral lipid content) was also assessed within each sample and differ across phenotypes, linking photophysiological metrics with underlying primary cellular traits. Strong correlations between first– and second-order traits, such as Quantum Yield and cellular N:P content, or light dissipation pathways (qP and NPQ) and C:P underline differences across symbiont types and may also provide a means for using fluorescence-based metrics as biomarkers for certain primary-cellular traits.

Abstract The identification of bleaching tolerant traits among individual corals is a major focus for many restoration and conservation initiatives but often relies on large scale or high-throughput experimental manipulations which may not be accessible to many front-line restoration practitioners. Here we evaluate a machine learning technique to generate a predictive model which estimates bleaching severity using non-destructive chlorophyll-a fluorescence photophysiological metrics measured with a low-cost and open access bio-optical tool. First, a four-week long thermal bleaching experiment was performed on 156 genotypes of Acropora palmata at a land-based restoration facility. Resulting bleaching responses (percent change in Fv/Fm or Absorbance) significantly differed across the four distinct phenotypes generated via a photophysiology-based dendrogram, indicating strong concordance between fluorescence-based photophysiological metrics and future bleaching severity. Next, these correlations were used to train and then test a Random Forest algorithm-based model using a bootstrap resampling technique. Correlation between predicted and actual bleaching responses in test corals was significant ( p < 0.0001) and increased with the number of corals used in model training (Peak average R 2 values of 0.42 and 0.33 for Fv/Fm and absorbance, respectively). Strong concordance between photophysiology-based phenotypes and future bleaching severity may provide a highly scalable means for assessing reef corals.

Abstract We test a newly developed instrument prototype which utilizes time-resolved chlorophyll- a fluorescence techniques and fluctuating light to characterize Symbiodiniaceae functional traits across seven different coral species under cultivation as part of ongoing restoration efforts in the Florida Keys. While traditional chlorophyll- a fluorescence techniques only provide a handful of algal biometrics, the system and protocol we have developed generates > 1000 dynamic measurements in a short (∼11 min) time frame. Resulting ‘high-content’ algal biometric data revealed distinct phenotypes, which broadly corresponded to clade-level Symbiodiniaceae designations determined using quantitative PCR. Next, algal biometric data from Acropora cervicornis (10 genotypes) and A. palmata (5 genotypes) coral fragments was correlated with bleaching response metrics collected after a two month-long exposure to high temperature. A network analysis identified 1973 correlations (Spearman R > 0.5) between algal biometrics and various bleaching response metrics. These identified biomarkers of thermal stress were then utilized to train a predictive model, and when tested against the same A. cervicornis and A. palmata coral fragments, yielded high correlation (R = 0.92) with measured thermal response (reductions in absorbance by chlorophyll-a). When applied to all seven coral species, the model ranked fragments dominated by Cladocopium or Breviolum symbionts as more bleaching susceptible than corals harboring thermally tolerant symbionts ( Durusdinium ). While direct testing of bleaching predictions on novel genotypes is still needed, our device and modeling pipeline may help broaden the scalability of existing approaches for determining thermal tolerance in reef corals. Our instrument prototype and analytical pipeline aligns with recent coral restoration assessments that call for the development of novel tools for improving scalability of coral restoration programs.

Abstract Corals have complex symbiotic associations that can be influenced by the environment. We compare symbiotic dinoflagellate (family: Symbiodiniaceae) associations and the microbiome of five scleractinian coral species from three different reef habitats in Palau, Micronesia. Although pH and temperature corresponded with specific host‐Symbiodiniaceae associations common to the nearshore and offshore habitats, bacterial community dissimilarity analyses indicated minimal influence of these factors on microbial community membership for the corals Coelastrea aspera , Psammocora digitata , and Pachyseris rugosa . However, coral colonies sampled close to human development exhibited greater differences in microbial community diversity compared to the nearshore habitat for the coral species Coelastrea aspera , Montipora foliosa , and Pocillopora acuta , and the offshore habitat for Coelastrea aspera , while also showing less consistency in Symbiodiniaceae associations. These findings indicate the influence that habitat location has on the bacterial and Symbiodiniaceae communities comprising the coral holobiont and provide important considerations for the conservation of coral reef communities, especially for island nations with increasing human populations and development.