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Summary

Der Klimawandel wirkt sich weltweit auf die Ökosysteme der Korallenriffe aus. Korallen, die aus Ex-situ-Aquakultursystemen stammen, können dazu beitragen, Renaturierungs- und Forschungsbemühungen zu unterstützen. In dieser Arbeit werden Fütterungs- und Korallenkulturtechniken beschrieben, die zur langfristigen Erhaltung brütender Skleraktinenkorallen ex situ eingesetzt werden können.

Abstract

Der Klimawandel wirkt sich weltweit auf das Überleben, das Wachstum und die Rekrutierung von Korallen aus, wobei in den nächsten Jahrzehnten große Veränderungen in der Häufigkeit und Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften in Riffökosystemen erwartet werden. Die Erkenntnis dieser Verschlechterung des Riffs hat zu einer Reihe neuartiger aktiver Interventionen im Bereich der Forschung und Wiederherstellung geführt. Die Ex-situ-Aquakultur kann durch die Etablierung robuster Korallenkulturprotokolle (z. B. zur Verbesserung der Gesundheit und Fortpflanzung in Langzeitexperimenten) und durch die Bereitstellung eines konsistenten Brutbestands (z. B. für den Einsatz in Renaturierungsprojekten) eine unterstützende Rolle spielen. Hier werden einfache Techniken für die Fütterung und Ex-situ-Kultur von brütenden Skleraktinenkorallen am Beispiel der weit verbreiteten und gut untersuchten Koralle Pocillopora acuta skizziert. Um diesen Ansatz zu demonstrieren, wurden Korallenkolonien unterschiedlichen Temperaturen (24 °C vs. 28 °C) ausgesetzt und Fütterungsbehandlungen (gefüttert vs. ungefüttert) sowie die Durchführbarkeit der Fütterung von Artemia-Nauplien an Korallen bei beiden Temperaturen verglichen. Die Reproduktionsleistung zeigte eine hohe Variation zwischen den Kolonien, wobei unterschiedliche Trends zwischen den Temperaturbehandlungen beobachtet wurden. Bei 24 °C produzierten gefütterte Völker mehr Larven als ungefütterte Völker, aber das Gegenteil wurde bei Völkern festgestellt, die bei 28 °C kultiviert wurden. Alle Kolonien pflanzten sich vor dem Vollmond fort, und Unterschiede im Fortpflanzungszeitpunkt wurden nur zwischen ungefütterten Kolonien in der 28 °C-Behandlung und gefütterten Kolonien in der 24 °C-Behandlung gefunden (mittlerer Mondtag der Fortpflanzung ± Standardabweichung: 6,5 ± 2,5 bzw. 11,1 ± 2,6). Die Korallenkolonien ernährten sich bei beiden Behandlungstemperaturen effizient von Artemia-Nauplien . Diese vorgeschlagenen Fütterungs- und Kulturtechniken konzentrieren sich auf die Reduzierung von Korallenstress und die Förderung der reproduktiven Langlebigkeit auf kostengünstige und anpassbare Weise, mit vielseitiger Anwendbarkeit sowohl in Durchfluss- als auch in rezirkulierenden Aquakultursystemen.

Introduction

Viele Korallenriff-Ökosysteme weltweit gehen verloren und degradieren als Folge von Hochtemperaturstress, der durch den Klimawandel verursacht wird ^1,2. Korallenbleiche (d.h. der Zusammenbruch der Korallen-Algen-Symbiose³) galt in^{der Vergangenheit als} relativ selten 4, tritt aber jetzt häufiger auf⁵, wobei eine jährliche Bleiche in vielen Regionen bis Mitte bis Ende des Jahrhunderts erwartet^{wird 6,7}. Diese Verkürzung der Übergangszeit zwischen Bleichereignissen kann die Fähigkeit zur Widerstandsfähigkeit von Riffen einschränken⁸. Die direkten Auswirkungen von Hochtemperaturstress auf Korallenkolonien (z. B. Gewebeschäden⁹; Energiemangel¹⁰) sind untrennbar mit indirekten Auswirkungen auf der Ebene der Riffe verbunden, von denen eine Verringerung der Fortpflanzungs-/Rekrutierungskapazität besonders besorgniserregend ist¹¹. Dies hat eine Reihe von angewandten Forschungsarbeiten angeregt, die sich beispielsweise mit der aktiven In-situ-Verbesserung der Rekrutierung (z. B. Riffimpfung¹²), neuen Technologien zur Skalierung der Korallenwiederherstellung¹³ und der Simulation von Reproduktionsreizen zur Induktion der Fortpflanzung in Ex-situ-Systemen ^{befassen 14}. Komplementär zu diesen aktiven Interventionen sind die kürzlich erfolgte Anerkennung der Vorteile der heterotrophen Ernährung von Korallen unter Hochtemperaturstress¹⁵ und die Erforschung der Rolle, die die Nahrungsbereitstellung bei der Fortpflanzung spielen kann¹⁶.

Es ist bekannt, dass heterotrophe Fütterung die Leistung von Korallen^{beeinflusst 17} und wurde speziell mit einem erhöhten Korallenwachstum^18,19 sowie mit thermischer Beständigkeit und Widerstandsfähigkeit ^20,21 in Verbindung gebracht. Die Vorteile der Heterotrophie sind jedoch bei Korallenarten nicht allgegenwärtig²² und können je nach Art der verzehrten Nahrung²³ sowie dem Grad der Lichtexposition²⁴ unterschiedlich sein. Im Zusammenhang mit der Korallenreproduktion hat die heterotrophe Fütterung unterschiedliche Ergebnisse gezeigt, wobei Beobachtungen einer höheren²⁵– und einer niedrigeren^{26-Reproduktionskapazität} nach heterotropher Fütterung berichtet wurden. Der Einfluss heterotropher Ernährung auf die Fortpflanzung von Korallen über ein Temperaturspektrum hinweg wird selten untersucht, jedoch wurde festgestellt, dass die Heterotrophie in der gemäßigten Koralle Cladocora caespitosa für die Fortpflanzung unter niedrigeren Temperaturbedingungen wichtiger ist²⁷. Ein besseres Verständnis der Rolle der Temperatur und der Nahrungsaufnahme für die Fortpflanzungsleistung ist wahrscheinlich erforderlich, um festzustellen, ob bestimmte Riffe (z. B. Riffe, die mit einer hohen Nahrungsverfügbarkeit verbunden sind²⁸) unter dem Klimawandel eine höhere Rekrutierungskapazität besitzen.

Ähnlich wie bei der Fortpflanzungsleistung ist der Einfluss von Temperatur und Nahrungsaufnahme auf den Fortpflanzungszeitpunkt in Korallen noch relativ wenig untersucht, obwohl die Synchronisierung der Fortpflanzung mit abiotischen/biotischen Bedingungen ein wichtiger Faktor für den Rekrutierungserfolg in einem sich erwärmenden Ozean ist²⁹. Es wurde gezeigt, dass wärmere Temperaturen in Studien zur thermischen Konditionierung von Korallen, die im Labor durchgeführt wurden³⁰, zu einer früheren Fortpflanzung führen, und dies wurde auch bei Korallen beobachtet, die in den³¹. Jahreszeiten von natürlichen Riffen gesammelt wurden. Interessanterweise wurde jedoch kürzlich der gegenteilige Trend bei gefütterten Korallen beobachtet, die im Laufe eines Jahres in einem Ex-situ-Durchflusssystem kultiviert wurden (d. h. die Fortpflanzung erfolgte früher im Mondzyklus bei kühleren Wintertemperaturen und später im Mondzyklus bei wärmeren Sommertemperaturen)³². Dieses gegensätzliche Ergebnis deutet darauf hin, dass das Fortpflanzungstiming unter Bedingungen, die mit reichlich vorhandenen energetischen Ressourcen verbunden sind, von typischen Mustern abweichen kann.

Kontrollierte Langzeitexperimente unter verschiedenen Temperaturszenarien könnten dazu beitragen, den Einfluss der Heterotrophie auf die Fortpflanzung in skleraktinischen Korallen besser zu verstehen. Die Aufrechterhaltung der Reproduktion von Korallenkolonien unter Ex-situ-Bedingungen für mehrere Fortpflanzungszyklen kann jedoch eine Herausforderung sein (siehe aber frühere Forschung^32,33). Hier werden einfache und effektive Techniken für die aktive Fütterung (Nahrungsquelle: Artemia nauplii) und Langzeitkultur einer brütenden Koralle (Pocillopora acuta) in einem Durchfluss-Aquakultursystem beschrieben; Es ist jedoch zu beachten, dass alle beschriebenen Techniken auch in rezirkulierenden Aquakultursystemen eingesetzt werden können. Um diese Techniken zu demonstrieren, wurde ein vorläufiger Vergleich der Reproduktionsleistung und des Zeitpunkts von Korallenkolonien durchgeführt, die bei 24 °C und 28 °C unter “gefütterten” und “ungefütterten” Behandlungen gehalten wurden. Diese Temperaturen wurden so gewählt, dass sie sich den Meerwassertemperaturen im Winter bzw. Sommer im Süden Taiwans annähern^30,34; Eine höhere Temperatur wurde nicht gewählt, da die Förderung einer langfristigen Ex-situ-Kultur ein primäres Ziel dieses Experiments war, anstatt die Reaktion der Korallen auf thermischen Stress zu testen. Darüber hinaus wurde die Dichte der Artemia-Nauplien vor und nach den Fütterungssitzungen quantifiziert, um die Durchführbarkeit einer heterotrophen Fütterung bei beiden Temperaturbehandlungen zu vergleichen.

Konkret wurden 24 Kolonien von P. acuta (mittlere lineare Gesamtausdehnung ± Standardabweichung: 21,3 cm ± 2,8 cm) aus Durchflusstanks in den Forschungseinrichtungen des National Museum of Marine Biology & Aquarium im Süden Taiwans gewonnen. Pocillopora acuta ist eine weit verbreitete Korallenart, die sowohl eine Broadcast-Laich-, aber typischerweise eine brütende Fortpflanzungsstrategie besitzt^35,36. Die Elternkolonien dieser Korallen wurden ursprünglich etwa 2 Jahre zuvor für ein anderes Experiment³² aus dem Outlet-Riff (21.931°E, 120.745°N) gesammelt. Folglich waren die im vorliegenden Experiment verwendeten Korallenkolonien ihr ganzes Leben lang unter Ex-situ-Kulturbedingungen gezüchtet worden; Konkret wurden die Kolonien bei Umgebungstemperatur und einem 12 h:12 h Licht-Dunkel-Zyklus bei 250 μmol Quanten m−2·s⁻1 exponiert und zweimal pro Woche mit Artemia-Nauplien gefüttert. Wir erkennen an, dass diese Langzeit-Ex-situ-Kultur die Reaktion der Kolonien auf die Behandlungsbedingungen in diesem Experiment beeinflusst haben könnte. Wir möchten daher betonen, dass das primäre Ziel hier darin besteht, zu veranschaulichen, wie die beschriebenen Techniken effektiv zur Kultivierung von Korallen ex situ eingesetzt werden können, indem ein Anwendungsbeispiel demonstriert wird, in dem die Auswirkungen von Temperatur und Fütterung auf die Korallenreproduktion bewertet wurden.

Die Korallenkolonien waren gleichmäßig auf sechs Flow-Through-System-Kulturtanks verteilt (Länge des Beckens x Breite x Höhe: 175 cm x 62 cm x 72 cm; Lichtregime des Beckens: 12 h:12h Licht-Dunkel-Zyklus bei 250 μmol Quanten m−²·s⁻¹) (Abbildung 1A). Die Temperatur in drei der Tanks wurde auf 28 °C und die Temperatur in den anderen drei Tanks auf 24 °C eingestellt. Jeder Tank verfügte über einen Logger, der alle 10 Minuten die Temperatur aufzeichnete (siehe Materialtabelle). Die Temperatur wurde in jedem Tank mit Hilfe von Kühlern und Heizungen unabhängig voneinander geregelt, und die Wasserzirkulation wurde mit Durchflussmotoren aufrechterhalten (siehe Materialtabelle). Die Hälfte der Völker in jedem Becken (n = 2 Kolonien/Tank) wurde zweimal pro Woche mit Artemia-Nauplien gefüttert, während die anderen Völker nicht gefüttert wurden. Jede Fütterungssitzung dauerte 4 Stunden und wurde in zwei unabhängigen temperaturspezifischen Fütterungstanks durchgeführt. Während der Fütterung wurden alle Kolonien, einschließlich der ungefütterten Kolonien, in die Futtertanks gebracht, um den potenziellen Stresseffekt des Bewegens der Kolonien zwischen den Tanks zu standardisieren. Die Kolonien in den gefütterten und ungefütterten Behandlungen wurden in einem eigenen Kompartiment unter Verwendung eines Netzrahmens innerhalb der temperaturspezifischen Futtertanks positioniert, so dass nur die Kolonien im gefütterten Zustand Nahrung erhielten. Die Fortpflanzungsleistung und der Zeitpunkt der Fortpflanzung der Korallen wurden für jede Kolonie täglich um 09:00 Uhr bewertet, indem die Anzahl der Larven gezählt wurde, die über Nacht in die Larvensammelbehälter entlassen worden waren.

Protocol

1. Hängende Korallenkolonienin Ex-situ-Aquakulturbecken Positionieren Sie eine gekerbte Stange (Länge x Breite x Höhe: 75 cm x 1 cm x 3 cm), im Folgenden “Hängestange” genannt, quer über das Kulturbecken, um die Korallenkolonien aufzuhängen.HINWEIS: Die in diesem Experiment verwendete Aufhängestange war eine Sonderanfertigung, aber ein einfaches PVC-Rohr mit hervorstehenden Schrauben (d. h. als Kerben) wäre ausreichend, solange es stabil über die Oberseite des Kulturbecken…

Representative Results

Die beschriebenen Protokolle ermöglichten (1) den Vergleich der Fortpflanzungsleistung und des Zeitpunkts einzelner Korallenkolonien zwischen verschiedenen Fütterungs- und Temperaturbehandlungen und (2) eine Bewertung der Durchführbarkeit der Fütterung von Artemia-Nauplien bei verschiedenen Temperaturen. Hier wird ein kurzer Überblick über die Ergebnisse gegeben, aber Vorsicht ist geboten in Bezug auf die breite Interpretation der berichteten Auswirkungen von Temperatur und Nahrungsaufnahme auf die Koralle…

Discussion

Diese vorläufige Bewertung des Einflusses von Temperatur und Fütterung auf die Fortpflanzung der Korallen ergab Unterschiede in der Fortpflanzungsleistung und dem Zeitpunkt zwischen Kolonien, die unter unterschiedlichen Behandlungsbedingungen kultiviert wurden. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Verfütterung von Artemia-Nauplien an Korallenkolonien sowohl bei relativ kühlen (24°C) als auch bei warmen Temperaturen (28°C) effektiv zu sein schien. Diese kombinierten Ergebnisse unterstreichen die Anwend…

Materials

Artemia cysts	Supreme plus	NA	Food source
Chiller	Resun	CL650	To cool down water temperature if needed
Conductivity portable meter	WTW	Cond 3110	To measure salinity
Enrichment diets	Omega	NA	Used in Artemia cultivation
Fishing line	Super	Nylon monofilament	To hang the coral colonies
Flow motors	Maxspect	GP03	To create water flow
Heater 350 W	ISTA	NA	Heaters used in tanks
HOBO pendant temperature logger	Onset Computer	UA-002-08	To record water temperature
LED lights	Mean Well	FTS: HLG-185H-36B	NA
Light portable meter	LI-COR	LI-250A	Device used with light sensor to measure light intensity in PAR
Light sensor	LI-COR	LI-193SA	NA
Plankton net 100 µm mesh size	Omega	NA	To collect larvae and artemia
Primary pump 6000 L/H	Mr. Aqua	BP6000	To draw water from tanks into chiller
Propeller-type current meter	KENEK	GR20	Device used with propeller-type detector to measure flow rate
Propeller-type detector	KENEK	GR3T-2-20N	NA
Stereo microscope	Zeiss	Stemi 2000-C	To count the number of artemia
Temperature controller 1000 W	Rep Park	O-RP-SDP-1	To set and maintain water temperature