חילוץ פוליפ הוא תהליך המושרה על ידי עקה חריפה, שבה פוליפים של אלמוגים מעכלים את הרקמה המחברת אותם למושבה שלהם ומתנתקים ממנה כדי לחיות כפרטים. הפרוטוקול הנוכחי מתאר כיצד לגרום למיקרו-פרופגציה של אלמוגים על ידי חילוץ באמצעות טיפולים בהיפר-סלין או במי ים נטולי סידן.
אלמוגים הם בעלי חיים קולוניאליים הנוצרים על ידי יחידות מודולריות הנקראות פוליפים. פוליפים של אלמוגים מקושרים מבחינה פיזיולוגית ומחוברים על ידי רקמה. תופעת חילוץ הפוליפ היא תהליך המושרה על ידי עקה חריפה, שבה פוליפים של אלמוגים מעכלים את הרקמה ומחברים אותם לשאר המושבה ובסופו של דבר מתנתקים מהשלד כדי להמשיך לחיות כפרטים נפרדים. ביולוגים של אלמוגים הכירו בתהליך של חילוץ פוליפ במשך שנים, אך רק לאחרונה המיקרו-פרופגאטים שנוצרו על ידי תהליך זה הוכרו כמערכת מודל למחקרים בביולוגיה של אלמוגים. השימוש ב-polyp bail-out יכול ליצור מספר גבוה של יחידות קלונליות מקטע אלמוגים יחיד. יתרון נוסף הוא שניתן לדמיין בקלות פוליפים בודדים או טלאים של פוליפים תחת מיקרוסקופ ולתחזק אותם בסביבות סטנדרטיות מאוד בעלות נמוכה כגון צלחות פטרי, צלוחיות ושבבים מיקרופלואידיים. הפרוטוקול הנוכחי מדגים שיטות הניתנות לשחזור המסוגלות לגרום למיקרו-פרופגציה של אלמוגים ולגישות שונות לשמירה על הפוליפים הבודדים בחיים בטווח הארוך. מתודולוגיה זו הייתה מסוגלת לטפח בהצלחה פוליפים של מין האלמוגים Pocillopora verrucosa במשך עד 8 שבועות לאחר החילוץ, והציגה את המעשיות של שימוש בפוליפים אלמוגים בודדים לחקר אלמוגים.
אלמוגים סקלרקטיניים או בונים שוניות הם קנידריאנים המסוגלים ליצור שלדי קרבונט, ליצור שוניות ומערכות אקולוגיות מורכבות מבחינה מבנית שניתן למצוא מסביבות מים עמוקים ועד מים רדודים1. שוניות אלמוגים טרופיות מארחות מגוון ביולוגי גבוה ומספקות שירותי מערכת אקולוגית חיוניים, כגון הגנה על החופים ותחזוקת דיג2. רוב האלמוגים הבונים שוניות במים רדודים מסתמכים על מערכת יחסים הדדית עם אצות ממשפחת Symbiodiniaceae, המספקות את האנרגיה שאלמוגים זקוקים לה כדי לבנות את השלדים שלהם. הסימביוזה בין האלמוגים לאצות יכולה להישבר על ידי עקה סביבתית, ולגרום להלבנת אלמוגים 3,4,5,6. חריגות בטמפרטורה לאחרונה גרמו לאירועי הלבנת אלמוגים גדולים ברחבי העולם, מה שהוביל לתמותה המונית של אלמוגים ולהתפרקות קבועה שלהשונית 7,8,9,10,11. מכיוון שתופעה זו מבוססת על גירוש של סימביונטים על ידי מנגנונים תאיים הקשורים ללחץ חום לאחר לחץ חום, כגון אפופטוזיס, אוטופגיה ואקסוציטוזה, ניתן לתאר הלבנת אלמוגים כתהליך תאי שיש לו השלכות בקנה מידה של מערכת אקולוגית 5,6,12, מה שאומר שתרביות חוץ גופיות של תאי אלמוגים או רקמות יהיו ישימות כדי לחקור את התופעה מקרוב.
בשל חשיבותן של שוניות האלמוגים והאיומים הגדולים העומדים בפניהן, במיוחד בשני העשורים האחרונים2, אלמוגים הפכו למוקד המחקר למטרות הגנה ושיקום ברחבי העולם13. עם זאת, פיתוח גישות ומערכות ניסוי שהן אמינות, ניתנות לשחזור ומציעות השפעה סביבתית מינימלית לחקר אלמוגים הוא מאבק גדול בתחום זה.
מיקרו-פרופגציה מוגדרת כהתפשטות חוץ גופית של הגנוטיפ של אורגניזם על ידי התרבות החומר הביולוגי שלו בכלי עבודה מבוקרים14,15. התרבות של תאים, רקמות ואיברים הייתה חיונית לביולוגיה של צמחים ובעלי חיים בעשורים האחרונים. הוא מאפשר רבייה המונית של אורגניזמים במעבדות, הערכה מהירה של טיפולים שונים (כגון תרופות ותרופות), ומחקר ישיר של תפקוד התא 14,15,16,17. באופן כללי, מודלים במבחנה היו שימושיים להשלמת והעמקת המחקרים של אורגניזמים שונים בתנאים פיזיקליים וכימיים מבוקרים טוב יותר. בשל היתרונות של טכניקות התרבות במבחנה, טכנולוגיות שונות של תאי בעלי חיים ותרביות רקמה פותחו, עברו אופטימיזציה ושימשו ככלים חשובים בתחומי מחקר רבים, שבהם קווי תאים מרובים נחקרו והתמסחרו עבור יישומים רבים 16,17,18.
התקדמות רבה בידע על תרבית תאים ורקמה נעשתה מאז תרבית רקמת החיה הראשונה בשנת 188217, כגון שימוש במדיה טבעית וסינתטית, המצאת קווי תאים מבוססים ופיתוח מדיה תלת-ממדית לטיפוח מספר רב של סוגי תאים בצורה טובה יותר16,17, 18,19. עם זאת, תחום הביולוגיה של התא התמקד בעיקר בקבוצה נבחרת של אורגניזמי מודל, בעוד שלטקסונים רבים עדיין אין תרביות חוץ גופיות מבוססות היטב של תאים, רקמות או איברים20. לדוגמה, במחקר אלמוגים, לא נעשה שימוש נרחב בקווי תאים מונצחים למחקר, מה שמגביל את חקר תאי האלמוגים לשימוש בתרביות תאים ראשוניות. לתרביות אלה יש יכולת קיום המוגבלת למספר שבועות21, ללא מחקרים המתעדים את הישרדותם של תאים בודדים מכל רקמות האלמוגים במשך יותר מ-13 יום עד תחילת 202122. הדו”ח הראשון על קווי תאי אלמוגים בני קיימא שפורסם היה עם תאי Acropora tenuis שחיו עד 6 חודשים, והתועלת של תאים אלה למחקר עתידי נותרה לחקור23.
כדי להתגבר על המגבלות של גידול תרביות תאי אלמוגים ולתחזק תרבית מעבדה המשמרת את הארגון הכולל של הרקמות של אלמוגים, השימוש בפוליפים מבודדים הוצע לאחרונה כמודל למחקר ביולוגיה של אלמוגים24,25. פוליפים הם היחידות האנטומיות של אלמוגים, ולכל אחד מהם יש פה הממוקם במרכז הדיסק האוראלי שלהם והוא מחובר לפוליפים אחרים על ידי הקואנוזרק באזור ההפלה שלו26. ההפרדה של פוליפים חיים מתרחשת באופן טבעי על ידי תהליך של חילוץ פוליפ, שבו עקה חריפה גורמת לעיכול של הקואנוזרק בין הפוליפים, אשר לאחר מכן יכול להתנתק משלד המושבה 25,27,28. תופעה זו דווחה כמתרחשת במגוון טקסונים, כולל תמנונים 29,30,31, אלמוגים שחורים 32 ואלמוגים סקלרקטיניים 25,27,27,28,32,33, ונקשרה לגורמי עקה סביבתיים מרובים, כגון מחסור בסידן במים 24,34, חומציות מוגברת35, תנאים היפר-אוסמוטיים 25,27,32,36, טמפרטורות גבוהות 36,37, רעב 33, חשיפה לאוויר25,30 וזיהום קוטל חרקים28,38. חילוץ פוליפ דווח, למשל, באלמוגים פוצ’ילופורידים19, המפוזרים באופן נרחב ברחבי העולם ומשמשים בדרך כלל כמודלים בחקר אלמוגים. מינים השייכים לקבוצה זו, כגון Pocillopora damicornis ו– Styllophora pistillata, יצרו כ-30-40 מיקרו-פרופגאטים מקטע 5 מ”מ25. מספר זה מדגיש את היתרון של שימוש ב-polyp bail-out כשיטה למיקרו-פרופגציה של אלמוגים, שכן הוא יוצר את האפשרות ליצור פרטים רבים זהים גנטית מפיסת אלמוגים קטנה. לשימוש בפוליפים מבודדים למחקר יש גם את אותם יתרונות כמו לתרביות תאים לגבי האפשרות להיות מתורבתים בסביבות מעבדה מבוקרות, כגון צלוחיות וצלחות פטרי. בנוסף, פלטפורמות מיקרופלואידיות לשמירה על פוליפים חיים הראו כי ניתן לשמור על מיקרו-פרופגטים אלה בסביבות זולות יחסית וקלות לשחזור, עם זרימת מים מבוקרת, פני השטח והטמפרטורה24,25. פלטפורמות מיקרופלואידיות אלה יכולות לשמש גם כדי לדמיין מבני אלמוגים חיים תחת מיקרוסקופ ישירות24,25.
במאמר הנוכחי אנו מסכמים ומדגימים את הטכניקות שפותחו כדי לבודד פוליפים של אלמוגים בודדים ממושבותיהם, ומראים כיצד לשמור עליהם בתנאי מעבדה לתרבית ארוכת טווח. השיטות הנדונות כוללות חילוץ פוליפ-אאוט באמצעות תנאים היפר-אוסמוטיים על ידי אידוי ושאיבת מי ים בעלי מליחות גבוהה ודגירה במי ים נטולי סידן.
שיעור ההישרדות של פוליפים לאחר שהוגשו לתהליכי חילוץ והזמן הדרוש להשלמת התהליך משתנים בין המחקרים שדווחו בעבר 25,33,41, מה שמוסבר ככל הנראה על ידי הגישות הניסוייות השונות המיושמות בכל מחקר. לדוגמה, מיני אלמוגים שונים, או אפילו אלמוגים מאותו המין אך התאקלמו לתנאי סביבה שונים (למשל, אלמוגים מים סוף), מציגים סף שונה לרמות המליחות. גם שיטת החילוץ שנבחרה ותנאי המעבדה/אקווריום ממלאים תפקידים חשובים בתוצאות. במקרים מסוימים, התחזוקה של מיקרו-פרופגאטים של אלמוגים בתנאי מעבדה עלתה על זמן ההישרדות של תרביות תאי אלמוגים בכך שהגיעה לחודשים של הישרדות באזוקסנתלאט3 3,41 ובזואקסנתלאט25 אלמוגים. הזמן להשלמת תהליך החילוץ של הפוליפ השתנה גם במחקרים שונים, החל מכמה שעות2 5,2 7,30 לשבועות 3 5 של דגירה שנחשפה לגורם הלחץ האחראי לגרימת חילוץ. משתנה נוסף שיש לקחת בחשבון כאשר בוחנים את חילוץ הפוליפים הוא התאוששות הפוליפים לאחר חשיפה ללחץ החריף שגרם לשחרורם. זה עדיין שנוי במחלוקת אם פוליפים לאחר חילוץ נמצאים במצב טוב מספיק כדי לשמש כמודלים לחקר הביולוגיה של האלמוגים. ההתאוששות של הרקמות שלהם לאחר פירוק של coenosarc הוא עניין של דאגה בעת שימוש micropropagates אלה. עם זאת, פוליפים במחקרים רבים, כולל ההווה, הצליחו להציג תאי זואו-קסנתליים בתוך הרקמות שלהם ומורפולוגיות חיצוניות עם קיטוב אוראלי-הפלתי שלם וזרועות ציד שבועות לאחר החילוץ 25,27,32,36. מחקרים קודמים מצאו גם כי לאחר שהוקל להם מלחץ חריף, פוליפים של אלמוגים משוחררים שנחשפו למי ים מלוחים מאוד או מחוממים הצליחו לשחזר את הביטוי של גנים הקשורים לתהליכים כגון אפופטוזיס, פרוטאוליזה וחלוקת תאים לרמות דומות לאלה שנמצאו לפני החילוץ32,36 ואף להגביר את הביטוי של גנים הקשורים לריפוי רקמות36.
לגבי ההבדל בהישרדות בין השיטות, חשוב להדגיש כי הפעם יכול להשתנות בין ניסויים שונים גם אם נעשה שימוש באותן טכניקות, וזה יכול להיות קשור לבריאות השברים המשמשים ולתחזוקה נכונה של הפוליפים לאחר תהליך החילוץ. במקרה של החילוץ החוצה באמצעות דגירה של מי ים ללא סידן, ההישרדות מפוליפ הוגבלה ליום אחד. לפיכך, ניתן להסיק כי השיטה אינה מתאימה להישרדות ארוכת הטווח של המינים שנחקרו, או שיש לבצע התאמה טובה יותר של הטכניקה עבור אלמוגי P. verrucosa מים סוף. התוצאות המדווחות הראו כי זמן הישרדות ארוך יותר הושג בשיטות המבוססות על העלייה ההדרגתית במליחות, כאשר הפוליפים היו נתונים לטפטוף של מים בעלי מליחות גבוהה. שיטה זו יכולה להביא לעלייה מבוקרת יותר במליחות מאשר שיטת האידוי, ובמקביל אינה אחראית לעלייה בריכוז של חומרים אחרים המצויים במי הים, כולל הפסולת המטבולית של האלמוגים, שעלולה להיות רעילה לאורגניזם. מכל הסיבות הללו, שיטה זו הוצעה כחלופה בטוחה יותר לשמירה על פוליפים בריאים27. למרות ששיטה זו הושערה שהיא בטוחה יותר לבריאות הפוליפים ומסוגלת לייצר פוליפים שחיים זמן רב יותר, עובדה שאומתה בפרסום הנוכחי, יש צורך בסקרים נוספים כדי לאשר אותה. שני ניסויי החילוץ המושרים על ידי מליחות גבוהה הדגימו ניתוק מוחלט של פוליפים לאחר שהמליחות הגיעה ל-59 PSU תוך 24 שעות. אם המליחות מוגברת מעבר לרמה שבה החילוץ הושלם, ייגרם מתח נוסף לפוליפים, מה שיפחית את סיכוייהם לשרוד ויתאוששו מהטיפול החריף בלחץ. לכן, לא מומלץ לשמור על הפוליפים זמן רב יותר ברמות מליחות כאלה. בעת ביצוע שיטת האינדוקציה של החילוץ על ידי חשיפה למי ים נטולי סידן, הושגה ניתוק מוחלט מדגירה של 3 שעות במי ים מלאכותיים נטולי סידן, כלומר גם חשיפה נוספת למדיום זה אינה מומלצת.
כדי להתמודד עם השיטות שהיו מתאימות יותר לחקר פוליפים של אלמוגים בסקרי מעבדה/מבחנה , מחקר זה התמקד רק בשלושה הליכים שלקחו קרוב ל-24 שעות עד שתהליך החילוץ הושלם, והם שימשו במחקרים שכללו תחזוקה ארוכת טווח של פוליפים של אלמוגים סקלרקטיניים. שיטות אחרות שדווח כי לוקחות הרבה יותר זמן מאשר הפעם לא היו מעורבות. יישוב הפוליפים למצע לא נוסה במחקר זה, שהתמקד בייצור פוליפים שניתן להעבירם לסביבות שונות או לאסוף אותם בקלות לצורך ניתוח באמצעות פיפטות חד פעמיות. התוצאות מראות כי פוליפים ממין האלמוגים P. verrucosa הוחזקו בחיים, עם תאי זואוקסנתליים קשורים, מצב ראייה בריא ומבנה אנטומי חיצוני גס שנשמר, עד 8 שבועות, גם ללא חיבור למצע. תוצאות אלה מצביעות על כך שניתן ליצור יותר שכפולים ביולוגיים מקטעי אלמוגים בודדים באמצעות כמה מהטכניקות שהודגמו במחקר זה. שכפולים ביולוגיים כאלה יכולים להישמר בסביבות מבוקרות (כגון צלחות פטרי וצלוחיות תאים) ולשמור אותם בתנאי מעבדה לניסויים בני חודש ולהשתמש בהם למספר מטרות.
מאז התיאורים המקריים הראשונים של חילוץ פוליפ42,43, נקבעו פרוטוקולים חדשים כדי למצוא שיטות סטנדרטיות יותר לגרימת שחרור פוליפים ושמירה על פוליפים כאלה בחיים, אשר יכולים לשמש ליישומי מחקר עתידיים. אלה כוללים חקר היבטים שונים הקשורים לפיזיולוגיה של הולוביונט אלמוגים44 ואינטראקציות פונדקאי-מיקרוביום45, המנגנונים המולקולריים המעורבים בהלבנת אלמוגים 5,25, והבריאות, העמידות וההגנה של הולוביונט האלמוגים 12,13,46,47 . יתר על כן, פוליפים של אלמוגים משוחררים יכולים לשמש ליישומים מחוץ לתחום המחקר והוצע שהם שימושיים ליצירת פרופגולות שיכולות להיצמד למצע ולגדול, מה שעשוי ליצור מספר פרטים של אלמוגים שיכולים לשמש למטרות שיקום ברגע שפרוטוקולים סטנדרטיים לחילוץ הופכים לנפוצים28 . באופן כללי, אף על פי שיש לבצע ניסויים מעמיקים יותר תוך שימוש בפוליפים משועבדים כדי לתקנן את המתודולוגיה, הוכח כי חילוץ פוליפ הוא גישה ניתנת לשחזור שניתן ליישם ככלי בחקר אלמוגים למספר מטרות.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לאדם ברנו ולפרנציסקה גרסיה על תמיכתם בניסויים ובניטור של פוליפים של אלמוגים. אנו מודים גם למעבדת הליבה של KAUST למשאבים חופיים וימיים על עזרתם בנוגע לתחזוקת האקווריום ותשתיותיו. המחקר מומן על ידי מענק KAUST מספר BAS/1/1095-01-01.
5560 Conductivity/Temperature Probe | YSI | 5560 | Conductivity probe used with the ProQuatro Multiparameter meter |
Ace 5 in. Alloy Steel Diagonal Pliers | Ace Hardware | 2004083 | Used to cut coral fragments |
Ampicillin sodium salt | Sigma-Aldrich | A9518 | Used in DMEM medium. |
DMEM (1x) Dulbecco's Modified Eagle Medium | Gibco | 41965-039 | Used for incubating coral fragments in the calcium-free polyp bail-out method |
Fisherbrand Petri Dish, Stackable Lid 60 mm x 15 mm Sterile, Polystyrene | Thermo Fisher Scientific | FB0875713A | Petri dish used for bail-out by evaporstion and for keeping polyps inside an aquarium. |
Heizer Titanrohr Heizstab SW MW 600 Watt | Schego | 548 | Heaters used in aquarium |
Leica Application Suite Version 4.2 | Leica Microsystems | NA | Software used for image capture in demonstrative results |
Leica IC80 HD | Leica Microsystems | 12730216 | Camera used to take demonstrative results pictures |
Leica MDG33 | Leica Microsystems | 10 450 123 | Stereoscope stand used to take demonstrative results pictures |
Leica Z6 APO | Leica Microsystems | NA | Macroscope used to take demonstrative results pictures |
Magnesium Chloride | Thermo Fisher Scientific | 7487-88-9 | Used for preparing calcium-free artificial seawater. |
Magnesium Sulfate Anhydrous | Sigma-Aldrich | 7791-18-6 | Used for preparing calcium-free artificial seawater. |
Masterflex I/P Easy-Load Pump Head for Precision Tubing, White PPS Housing, SS Rotor | Masterflex | HV-77602-10 | Peristaltic pump head. |
Masterflex L/S Precision Modular Drives with Benchtop Controller | Masterflex | EW-07557-00 | Peristaltic pump drive used for pumping high salinity seawater. Can be substituted for any peristaltic pump capable of mainaining water flow as described in protocol. |
Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Platinum-Cured Silicone, L/S 16; 25 ft | Masterflex | HV-96410-16 | Tubing for peristaltic pump. |
Millex 33 mm PVDF 0.22 µm Sterile RUO | Sigma-Aldrich | SLGVR33RS | Used to filter artificial sea water. |
Nunc EasYFlask 75 cm2 Nunclon Delta Surface | Thermo Fisher Scientific | 156499 | Flask usually used for cell culture used for polyp culture. |
Orbital shaker, Advanced 5000, VWR | VWR | 444-2916 | Shaker used inside incubator. |
Percival Incubator – I-22VL | Percival | NA | Incubator used for maintaing corals kept in cell flasks. |
Plankton net 200 µm mesh size | KC Denmark | NA | Used for covering petri dishes containing coral polyps. |
Potassium Chloride | VWR Chemicals | 7447-40-7 | Used for preparing calcium-free artificial seawater. |
ProQuatro Multiparameter Meter | YSI | 606950 | Used for measuring salinity thoughout the protocol |
RADION XR15 G5 PRO | Ecotech | NA | Lights used in aquarium |
Red Sea Salt Premium grade, moderate Alkalinity |
Red Sea | NA | Used to prepare 40 PSU artifical sea water. |
Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | 144-55-8 | Used for preparing calcium-free artificial seawater. |
Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S3014 | Used for preparing calcium-free artificial seawater. |
Sodium Sulfate Anhydrous | VWR Chemicals | 7757-82-6 | Used for preparing calcium-free artificial seawater. |
TRD 112 thermostat | Schego | NA | Thermostat used in aquarium |
Turbelle Nanostream 6025 | Tunze | 6025 000 | Pumps used in aquarium |