Presentation at the annual AIMS@JCU seminar day in 2015.
The mutualistic relationship between reef-building corals and intracellular photosynthetic dinoflagellates of the genus Symbiodinium provides the foundation of the coral reef ecosystem. Disruption of this relationship leads to coral bleaching which is occurring on a large scale and poses a real threat to the survival of coral reefs. In spite of the great ecological significance of this partnership to coral reefs, little is currently known about the molecular mechanisms involved in the establishment and maintenance of the symbiosis. A number of studies have investigated host gene expression during the establishment of coral-algal symbiosis, but these have failed to detect host symbiosis-related signals. To better understand the early events occurring during the establishment of symbiosis, infection experiments were conducted during spawning in Sesoko Island, Okinawa, Japan in June 2013 using Acropora digitifera larvae and a competent strain of symbionts, Symbiodinium sp. clade B. Next generation sequencing (Illumina RNAseq) was used for the first time to follow coral transcriptome-wide gene expression after exposure to competent Symbiodinium at 4-, 12-, 48- h post infection. These experiments allowed the detection of transient transcriptomic signals in the coral during the initial infection period. The data imply that the establishment of symbiosis involves cross talk between the partners; an active response is required on the part of the host in order to recognize appropriate partners but at the same time the symbionts appear to suppress some host responses, including immunity
Status of coral reef health in the northern red sea egypt icrs 2012 paper
Aims@jcu 2015 amin
1. Host Transcriptome Analysis
During Onset and Establishment of Coral-Algal Symbiosis
Amin R Mohamed
ARC CoE Coral Reef Studies, James Cook University
AIMS@JCU, Australian Institute of Marine Science
AIMS@JCU Student Seminar Day, 2015
18th September 2015
2. Rosenberg et al., 2007
The coral holobiontBackground
Corals exist in a
multipartite symbiosis with
• Endosymbiotic algae
• Resident microbiota
Ø Bacteria
Ø Archaea
Ø viruses
5. April 5, 2016
5
Background
Host responses during Establishment of Coral- Algal Symbiosis
Current understanding
5- Disadvantages of the used method Microarrays !!!
• Few genes (1000s)
• Might be dominated by housekeeping genes
1- Competent Symbiodinium might sneak in…and host doesn’t notice
2- Competent Symbiodinium might suppress host responses
3- Response to symbionts is spatially restricted and hard to
detect
4- Previous attempts
• Voolstra et al., 2009 ~ 30 min. and 6 days post infection
• Schnitzler and Weis 2010 ~ 48 h post infection
6. Coral reference Genome and TranscriptomeBackground
Indo-pacific corals
Acropora millepora
Prof David Miller’s lab - JCU
Acropora digitifera
Prof Nori Satoh’s lab - OIST
7. • Using Next generation sequencing (NGS) (illumina RNAseq) to
explore the cross talk between host and symbiont during onset of
symbiosis
• Better understanding the early events occurring during
establishment of coral-algal symbiosis
• A. digitifera larvae infection with a competent symbiont,
Symbiodinium sp. clade B
• Quantitatively measure gene expression (using the whole
transcriptome) in larvae infected with Symbiodinium compared
to to control “aposymbiotic” ones
Aims and Objectives
Aims
Objectives
8. The view in front of the marine station, Sesoko Island, Okinawa
Methodology
Acropora assemblages
and spawning
Infection experiment
Okinawa coral spawning - June/July 2013
10. Infection experiment designMethodology
Sym B No algae
No algae
Sym B
Sym B No algae
Symbiotic
Aposymbiotic
Ø 6-d old larvae were used ~ with oral pore
Ø 700 larvae in 700 ml FSW
Ø 2 groups; Symbiotic Vs Aposymbiotic
Ø 3 replicate per group
Ø Algal cultures (competent Symbiodinium)
were added with a final conc. of 3x105 cells/ ml
after being washed 3 times in FSW
Symbiotic
Symbiodinium sp
clade B cells
Aposymbiotic
= control
Sampling time points
T1= 4h
T2= 12h
T3= 48h
11. Next-gen sequencing (illumina RNAseq)
~ 150 larvae were collected washed in FSW snap frozen in liquid
nitrogen and stored at -80°C
RNA Integrity Number RIN= 9
Methodology
mRNA enrichment
16 cDNA library construction
&
Illumina (HiSeq 2500) high-throughput
sequencing at OIST
Total RNA isolation
RNA Quality
RNA Integrity check using Agilent Bioanalyzer
14. Mapping reads against the reference A. digitifera transcriptome
Results
Illumina Reads Mapping
A screenshot of Acroproa digitifera transcripts reads alignments of both negative
control and Symbiodinium clade B infection reads at 4 h post infection;
Using the Integrated Genomics Viewer (IGV)
15. Coral Host Transcriptome Profiling at 4, 12, and 48 h post infection
Gene expression profiles between the Symbiodinium infected and control larvae
The red dots represent the 1073 significant differentially expressed genes (DEGs) detected
only at the 4h time point at adjusted P < 0.05
Differential Gene Expression Analysis EdgeRResults
Significant DEGs
Non-significant DEGs
1073 DEGs No change No change
16. DEGs clustering at 4h post Symbiodinium infection
symbiodiniumB
control
C1
C2
C3
S2
S1
S3 adi_EST_assem_11651adi_EST_assem_7958adi_EST_assem_4175adi_EST_assem_27791adi_EST_assem_24670adi_EST_assem_15431adi_EST_assem_35734adi_EST_assem_14233adi_EST_assem_3100adi_EST_assem_15501adi_EST_assem_10958adi_EST_assem_4505adi_EST_assem_16166adi_EST_assem_9847adi_EST_assem_117adi_EST_assem_34039adi_EST_assem_20261adi_EST_assem_19497adi_EST_assem_24279adi_EST_assem_14707adi_EST_assem_11279adi_EST_assem_14856adi_EST_assem_5569adi_EST_assem_5738adi_EST_assem_5350adi_EST_assem_6438adi_EST_assem_4974adi_EST_assem_3850adi_EST_assem_30463adi_EST_assem_27890adi_EST_assem_21171adi_EST_assem_8083adi_EST_assem_8082adi_EST_assem_25541adi_EST_assem_23473adi_EST_assem_3654adi_EST_assem_28572adi_EST_assem_32072adi_EST_assem_5038adi_EST_assem_10220adi_EST_assem_26515adi_EST_assem_9646adi_EST_assem_2898adi_EST_assem_3267adi_EST_assem_3864adi_EST_assem_3374adi_EST_assem_5263adi_EST_assem_10237adi_EST_assem_13833adi_EST_assem_388adi_EST_assem_2340adi_EST_assem_6686adi_EST_assem_7152adi_EST_assem_1121adi_EST_assem_15203adi_EST_assem_3089adi_EST_assem_4958adi_EST_assem_11271adi_EST_assem_17936adi_EST_assem_5429adi_EST_assem_7938adi_EST_assem_9908adi_EST_assem_11310adi_EST_assem_6895adi_EST_assem_6927adi_EST_assem_6408adi_EST_assem_6212adi_EST_assem_17635adi_EST_assem_6809adi_EST_assem_8065adi_EST_assem_9213adi_EST_assem_7479adi_EST_assem_14494adi_EST_assem_15717adi_EST_assem_1236adi_EST_assem_5679adi_EST_assem_8017adi_EST_assem_1783adi_EST_assem_8024adi_EST_assem_23935adi_EST_assem_4095adi_EST_assem_4070adi_EST_assem_17580adi_EST_assem_6313adi_EST_assem_4904adi_EST_assem_4385adi_EST_assem_3752adi_EST_assem_5274adi_EST_assem_33adi_EST_assem_1086adi_EST_assem_54adi_EST_assem_1352adi_EST_assem_6764adi_EST_assem_20728adi_EST_assem_12987adi_EST_assem_259adi_EST_assem_675adi_EST_assem_7220adi_EST_assem_7486adi_EST_assem_9237adi_EST_assem_131adi_EST_assem_9322adi_EST_assem_17304adi_EST_assem_16196adi_EST_assem_12678adi_EST_assem_14041adi_EST_assem_238adi_EST_assem_983adi_EST_assem_6284adi_EST_assem_8045adi_EST_assem_5468adi_EST_assem_2963adi_EST_assem_2066adi_EST_assem_19182adi_EST_assem_25169adi_EST_assem_3734adi_EST_assem_22402adi_EST_assem_2345adi_EST_assem_23118adi_EST_assem_4556adi_EST_assem_226adi_EST_assem_9517adi_EST_assem_24159adi_EST_assem_3776adi_EST_assem_14245adi_EST_assem_14931adi_EST_assem_21394adi_EST_assem_17000adi_EST_assem_14486adi_EST_assem_6697adi_EST_assem_22337adi_EST_assem_17674adi_EST_assem_21418adi_EST_assem_22116adi_EST_assem_17327adi_EST_assem_2270adi_EST_assem_25874adi_EST_assem_13388adi_EST_assem_7793adi_EST_assem_7794adi_EST_assem_10925adi_EST_assem_3425adi_EST_assem_19346adi_EST_assem_10912adi_EST_assem_19316adi_EST_assem_5115adi_EST_assem_14865adi_EST_assem_27416adi_EST_assem_5597adi_EST_assem_3915adi_EST_assem_25422adi_EST_assem_5538adi_EST_assem_13740adi_EST_assem_31632adi_EST_assem_25720adi_EST_assem_10175adi_EST_assem_5495adi_EST_assem_1997adi_EST_assem_11343adi_EST_assem_7749adi_EST_assem_23543adi_EST_assem_10556adi_EST_assem_25811adi_EST_assem_18746adi_EST_assem_10727adi_EST_assem_5753adi_EST_assem_15905adi_EST_assem_6056adi_EST_assem_16483adi_EST_assem_11037adi_EST_assem_7211adi_EST_assem_32585adi_EST_assem_4150adi_EST_assem_5465adi_EST_assem_4692adi_EST_assem_31695adi_EST_assem_4837adi_EST_assem_11539adi_EST_assem_4310adi_EST_assem_10387adi_EST_assem_13950adi_EST_assem_20902adi_EST_assem_5787adi_EST_assem_11281adi_EST_assem_10741adi_EST_assem_11737adi_EST_assem_24899adi_EST_assem_18351adi_EST_assem_3184adi_EST_assem_9430adi_EST_assem_12596adi_EST_assem_14170adi_EST_assem_10518adi_EST_assem_8308adi_EST_assem_32217adi_EST_assem_27242adi_EST_assem_16342adi_EST_assem_5527adi_EST_assem_19215adi_EST_assem_20522adi_EST_assem_8991adi_EST_assem_16094adi_EST_assem_5414adi_EST_assem_5388adi_EST_assem_13911adi_EST_assem_8135adi_EST_assem_29926adi_EST_assem_3521adi_EST_assem_2618adi_EST_assem_10084adi_EST_assem_17780adi_EST_assem_9537adi_EST_assem_26763adi_EST_assem_26250adi_EST_assem_18654adi_EST_assem_19526adi_EST_assem_15509adi_EST_assem_8917adi_EST_assem_5633adi_EST_assem_26407adi_EST_assem_8436adi_EST_assem_4309adi_EST_assem_1475adi_EST_assem_3366adi_EST_assem_6006adi_EST_assem_18666adi_EST_assem_10953adi_EST_assem_1945adi_EST_assem_18051adi_EST_assem_16437adi_EST_assem_9359adi_EST_assem_15028adi_EST_assem_11093adi_EST_assem_4503adi_EST_assem_4754adi_EST_assem_1710adi_EST_assem_1897adi_EST_assem_19633adi_EST_assem_654adi_EST_assem_14524adi_EST_assem_9227adi_EST_assem_23974adi_EST_assem_18284adi_EST_assem_28748adi_EST_assem_4954adi_EST_assem_5199adi_EST_assem_6847adi_EST_assem_2268adi_EST_assem_4134adi_EST_assem_16816adi_EST_assem_3874adi_EST_assem_21133adi_EST_assem_25251adi_EST_assem_7512adi_EST_assem_7821adi_EST_assem_2745adi_EST_assem_3453adi_EST_assem_8650adi_EST_assem_17727adi_EST_assem_8799adi_EST_assem_3513adi_EST_assem_18625adi_EST_assem_11692adi_EST_assem_6702adi_EST_assem_10162adi_EST_assem_424adi_EST_assem_18920adi_EST_assem_8996adi_EST_assem_10377adi_EST_assem_9856adi_EST_assem_15623adi_EST_assem_29512adi_EST_assem_9547adi_EST_assem_16414adi_EST_assem_35878adi_EST_assem_6654adi_EST_assem_6990adi_EST_assem_6452adi_EST_assem_2234adi_EST_assem_7444adi_EST_assem_12249adi_EST_assem_8879adi_EST_assem_17598adi_EST_assem_15634adi_EST_assem_8010adi_EST_assem_6812adi_EST_assem_11025adi_EST_assem_16546adi_EST_assem_15583adi_EST_assem_18144adi_EST_assem_1430adi_EST_assem_7172adi_EST_assem_21525adi_EST_assem_18814adi_EST_assem_7999adi_EST_assem_32678adi_EST_assem_20357adi_EST_assem_6235adi_EST_assem_12983adi_EST_assem_15760adi_EST_assem_6257adi_EST_assem_16400adi_EST_assem_2644adi_EST_assem_13773adi_EST_assem_25678adi_EST_assem_19393adi_EST_assem_4292adi_EST_assem_1351adi_EST_assem_16381adi_EST_assem_11285adi_EST_assem_11131adi_EST_assem_24066adi_EST_assem_14758adi_EST_assem_16389adi_EST_assem_10986adi_EST_assem_30682adi_EST_assem_2165adi_EST_assem_19733adi_EST_assem_2523adi_EST_assem_22992adi_EST_assem_18798adi_EST_assem_22275adi_EST_assem_5901adi_EST_assem_24274adi_EST_assem_11242adi_EST_assem_8176adi_EST_assem_17742adi_EST_assem_22772adi_EST_assem_7960adi_EST_assem_765adi_EST_assem_23854adi_EST_assem_15036adi_EST_assem_17779adi_EST_assem_8293adi_EST_assem_1377adi_EST_assem_14072adi_EST_assem_8093adi_EST_assem_36331adi_EST_assem_5983adi_EST_assem_13534adi_EST_assem_11145adi_EST_assem_10895adi_EST_assem_6441adi_EST_assem_12529adi_EST_assem_21057adi_EST_assem_28960adi_EST_assem_24812adi_EST_assem_18147adi_EST_assem_1805adi_EST_assem_28343adi_EST_assem_5165adi_EST_assem_11938adi_EST_assem_5661adi_EST_assem_907adi_EST_assem_24059adi_EST_assem_7560adi_EST_assem_8905adi_EST_assem_10397adi_EST_assem_7561adi_EST_assem_3285adi_EST_assem_11265adi_EST_assem_11286adi_EST_assem_1731adi_EST_assem_8863adi_EST_assem_16013adi_EST_assem_2190adi_EST_assem_7559adi_EST_assem_29640adi_EST_assem_22228adi_EST_assem_7734adi_EST_assem_27028adi_EST_assem_12325adi_EST_assem_19518adi_EST_assem_17934adi_EST_assem_11477adi_EST_assem_12610adi_EST_assem_15601adi_EST_assem_1403adi_EST_assem_7187adi_EST_assem_5180adi_EST_assem_33998adi_EST_assem_34102adi_EST_assem_17373adi_EST_assem_17251adi_EST_assem_8396adi_EST_assem_22243adi_EST_assem_2899adi_EST_assem_2593adi_EST_assem_5336adi_EST_assem_28adi_EST_assem_15691adi_EST_assem_12444adi_EST_assem_5322adi_EST_assem_707adi_EST_assem_17280adi_EST_assem_10318adi_EST_assem_10669adi_EST_assem_7514adi_EST_assem_11415adi_EST_assem_7730adi_EST_assem_32576adi_EST_assem_19450adi_EST_assem_19135adi_EST_assem_19200adi_EST_assem_9489adi_EST_assem_6095adi_EST_assem_5095adi_EST_assem_12253adi_EST_assem_11541adi_EST_assem_3607adi_EST_assem_6106adi_EST_assem_10891adi_EST_assem_14409adi_EST_assem_4028adi_EST_assem_2005adi_EST_assem_14237adi_EST_assem_7090adi_EST_assem_14469adi_EST_assem_1270adi_EST_assem_8165adi_EST_assem_21329adi_EST_assem_6559adi_EST_assem_17377adi_EST_assem_29809adi_EST_assem_26789adi_EST_assem_120adi_EST_assem_24552adi_EST_assem_7684adi_EST_assem_8429adi_EST_assem_7419adi_EST_assem_5829adi_EST_assem_1099adi_EST_assem_21614adi_EST_assem_10531adi_EST_assem_15997adi_EST_assem_29208adi_EST_assem_5774adi_EST_assem_5557adi_EST_assem_1968adi_EST_assem_13602adi_EST_assem_6496adi_EST_assem_6010adi_EST_assem_22740adi_EST_assem_1827adi_EST_assem_3212adi_EST_assem_2133adi_EST_assem_6961adi_EST_assem_21821adi_EST_assem_8056adi_EST_assem_9134adi_EST_assem_18020adi_EST_assem_9676adi_EST_assem_25364adi_EST_assem_8602adi_EST_assem_14331adi_EST_assem_5310adi_EST_assem_14527adi_EST_assem_73adi_EST_assem_6411adi_EST_assem_3177adi_EST_assem_5272adi_EST_assem_6754adi_EST_assem_7538adi_EST_assem_9808adi_EST_assem_4021adi_EST_assem_26294adi_EST_assem_12817adi_EST_assem_4582adi_EST_assem_4854adi_EST_assem_20771adi_EST_assem_23320adi_EST_assem_2171adi_EST_assem_4729adi_EST_assem_20239adi_EST_assem_28437adi_EST_assem_7150adi_EST_assem_6801adi_EST_assem_11461adi_EST_assem_22461adi_EST_assem_3475adi_EST_assem_1289adi_EST_assem_10686adi_EST_assem_21605adi_EST_assem_4062adi_EST_assem_16950adi_EST_assem_2540adi_EST_assem_1419adi_EST_assem_6953adi_EST_assem_1696adi_EST_assem_5600adi_EST_assem_6942adi_EST_assem_6802adi_EST_assem_2782adi_EST_assem_1110adi_EST_assem_15557adi_EST_assem_18152adi_EST_assem_14216adi_EST_assem_18294adi_EST_assem_3651adi_EST_assem_16476adi_EST_assem_10952adi_EST_assem_5440adi_EST_assem_10825adi_EST_assem_3950adi_EST_assem_3713adi_EST_assem_1948adi_EST_assem_8870adi_EST_assem_4778adi_EST_assem_10127adi_EST_assem_2343adi_EST_assem_7635adi_EST_assem_2887adi_EST_assem_715adi_EST_assem_5898adi_EST_assem_7305adi_EST_assem_4112adi_EST_assem_1510adi_EST_assem_2450adi_EST_assem_9672adi_EST_assem_17299adi_EST_assem_11763adi_EST_assem_9424adi_EST_assem_14339adi_EST_assem_18453adi_EST_assem_26531adi_EST_assem_3072adi_EST_assem_32162adi_EST_assem_2228adi_EST_assem_13811adi_EST_assem_22603adi_EST_assem_26435adi_EST_assem_11705adi_EST_assem_10055adi_EST_assem_6238adi_EST_assem_18588adi_EST_assem_27206adi_EST_assem_141adi_EST_assem_23744adi_EST_assem_23636adi_EST_assem_15378adi_EST_assem_24281adi_EST_assem_1191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samples vs. features
diffExpr.P0.05_C1.matrix.log2.centered
−2 0 2
Value
Color KeyResults
Heat
map
showing
the
expression
profiles
of
Symbiodinium
infected
and
control
samples
Rela7ve
expression
levels
are
shown
in
red
(up)
and
green
(down)
Suppression of
some host genes
18. Coral larvae exhibited varied and significant expression for genes
related to:
Genes of InterestResults
HOST-SYMBIONT INITIAL CONTACT
1. Pattern recognition and cell adhesion proteins (n=17)
2. Immune-related genes (n=5)
3. Transcription regulation (n=21)
SYMBIOSIS ESTABLISHMENT
1. Symbiosome formation (n=6)
2. sym32 signaling
SYMBIONT TOLERANCE
1. Cell cycle (n=10)
2. Apoptosis (n=11)
3. ROS response (n=13)
19. Outcome
Host signals during establishment of coral-algal symbiosis
i- Host- symbiont initial contact
• PRRs- Lectin
• Cell adhesion
• GP2 and immunity
• Ribosomes, ER, and mitochondria
ii- Symbiosis Establishment
• Symbiosome formation
• Sym32 regulation
iii-Symbiont tolerance
• Apoptosis
• Cell cycle
• Response to ROS
Up regulated
Down regulated
20. Take Home Messages
Ø The experiments allowed the detection of transient transcriptomic signals in
the coral during the initial infection period
The data imply that:
Ø Establishment of symbiosis involves cross talk between the partners
Ø An active response is required on the part of the host in order to recognize
appropriate partners
Ø The symbionts appear to suppress some host responses, including
immunity
21. Acknowledgement
Funding
• JCUPRS
• AIMS@JCU Top-up Scholarship
• Egyptian PhD Scholarship
• Prof David Miller lab- Coral Genomics Group -ARC CoE
Collaborators
• Prof Nori Satoh Lab, Marine Genomics Unit, OIST, Okinawa
• Prof Mark Ragan Lab, Computational Biology group, IMB, UQ