Host-symbiont interactions in the deep-sea vent mussel Bathymodiolus azoricus : a molecular approach

Tese de Doutoramento, Ciências do Mar, especialidade de Biologia Marinha, 19 de Dezembro de 2015, Universidade dos Açores.

A dorsal média oceânica é caracterizada por apresentar intensa atividade vulcânica resultando na criação de ambientes invulgares, tais como as fontes hidrotermais, favoráveis ao estabelecimento de uma fauna especializada distribuída mundialmente. Os mexilhões de profundidade do género Bathymodiolus azoricus são as comunidades dominantes das fontes hidrotermais, encontradas entre os 800 e os 2400 metros de profundidade, e localizadas na junção tripla dos Açores da Dorsal Média do Atlântico. Estes desenvolveram estratégias de sobrevivência, tais como a dupla relação endosimbiótica com bactérias metanotróficas (MOX) e sulfuroxidantes (SOX) localizadas dentro de células especializadas - as brânquias, bem como um sistema imunológico adaptativo, manifestado pela sua capacidade em adaptar-se a extremas mudanças ambientais. B. azoricus apresentou uma extraordinária plasticidade fisiológica, nos trabalhos experimentais desenvolvidos nesta tese, sujeito a diferentes condições experimentais, quando aclimatizado em aquário. B. azoricus tem revelado ser um excelente modelo de estudo para compreender o metabolismo do hospedeiro a nível molecular, nomeadamente na descrição dos genes envolvidos no sistema imune inato e na sua relação simbiótica com bactérias. Os objetivos desta tese incidiram na caracterização da adaptação do sistema imune do mexilhão B. azoricus, quando aclimatizado à pressão atmosférica durante um longo período de tempo, e os seus efeitos nas associações simbióticas bem como no estudo da prevalência das bactérias endosimbiontes, de forma a avaliar as capacidades imunológicas funcionais dos tecidos branquiais durante a adaptação fisiológica às alterações ambientais. Para uma completa abordagem do perfil das respostas biológicas do B. azoricus, os níveis de expressão dos genes imunes e bacterianos foram quantificados por PCR em tempo real e por microscopia de fluorescência (Fluorescence In Situ Hybridization) que possibilitou localizar e quantificar os endosimbiontes presentes no tecido brânquial. Com o objetivo de estudar as variabilidades microbianas e funcionais na estrutura do holobioma do B. azoricus, o RNA foi sequenciado. Os resultados aqui apresentados sugerem que os mexilhões das fontes hidrotermais desenvolveram mecanismos específicos de sobrevivência que envolvem a expresão diferencial de genes do sistema imune, evidenciado por um ponto fisiológico de alerta, traduzido pelo aumento da atividade transcricional quando aclimatizado à pressão atmosférica mais do que uma semana. [...].

ABSTRACT: The mid-oceanic ridges running around the Earth are the theatre of intense submarine volcanic activity creating oases such as deep sea hydrothermal vents for a specialized fauna where different species are distributed worldwide. Deep-sea mussels of the genus Bathymodiolus azoricus are dominant communities at hydrothermal vent sites between 800 to 2400 m depth in the Azores Triple Junction of the Mid-Atlantic Ridge. They have developed survival strategies including dual endosymbiosis with both methanotrophic (MOX) and sulfide-oxidizing (SOX) bacteria housed inside their specialized gill cells while exhibiting also unusual immune system capabilities, reflecting thus, their ability to adapt remarkably to environment changes. Their extraordinary physiological plasticity has been evidenced throughout this thesis work during different experimental acclimatization to aquarium environments. B. azoricus has been revealed as a suitable model to investigate the metabolism of the host at a molecular level, such as the description of genes involved in the innate immune system and symbiosis establishment in relation with bacteria. The objectives of this work are to further characterize the adaptation of B. azoricus to long term acclimatization in aquaria conditions and its effects on host-symbiotic associations, endosymbiotic prevalence and host immune responses, in view of understanding the functional immunological capabilities of B. azoricus gill tissues. In order to study a comprehensive biological response profile, both immune and bacteria gene expressions were quantified by real-time PCR and by Fluorescence In Situ Hybridization approaches, which provided a direct way to determine the relative location and quantification of endosymbionts. The RNA-seq methodology was considered in order to reveal the specific microbial and functional variabilities in the B. azoricus holobiome structure. The results herein presented, bring evidence supporting that vent mussels developed specific survival mechanisms, under different experimental conditions, which involved a repertoire of differentially expressed immune genes to endure different environmental parameters. The study of differential immune gene expressions brought evidence suggesting a physiological “alert point” translated into higher levels of transcriptional activity when vent mussels were acclimatized for more than one week in aquarium conditions at atmospheric pressure. [...].

This dissertation was developed under a PhD grant funding granted by FCT (SFRH/BD/73152/2010) and partially supported by IMUNOVENT project (PTDC/MAR/65991/2006), PEst project (Pest/OE/EEI/LA0009/2011–2014) and LARSyS-Associated Laboratory (OE, FEDER, POCI2001, FSE) funded by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) and by DRCTC – Regional Government of the Azores through a pluri-annual funding scheme.