Sulfate reducing bacteria as secondary and necessary pathogens in black band disease of corals / Bacterias reductoras de sulfato como patógenos secundarios y necesarios en la enfermedad de la banda negra de coral

Black band disease (BBD) is a complex, polymicrobial disease that consists of cyanobacteria, sulfide-oxidizing and sulfate-reducing bacteria (SRB), and heterotrophic bacteria. The cyanobacterium Roseofilum reptotaenium has been implicated as the primary pathogen of BBD, but other consortium members may be secondary pathogens that are necessary to the development of the disease. It is known that populations of the sulfate-reducing bacterium Desulfovibrio are present in BBD and that these populations generate sulfide within the band as a byproduct of dissimilatory sulfate reduction. It is also known that exposure of healthy corals to sulfide leads to cell lysis and coral tissue death. Previous work showed that when freshly collected BBD, which easily infects healthy corals, is exposed to sodium molybdate, a specific inhibitor of sulfate reduction, infection does not occur. In this study we examined the effect of sodium molybdate on infection of corals by a unialgal culture of R. reptotaenium. Coral fragments of Montastraea cavernosa and Siderastrea siderea were transferred into two experimental aquaria, one a control with only artificial seawater (ASW) and the second containing ASW and 2mM sodium molybdate. Small mats of cultured R. reptotaenium were inoculated onto the surface of experimental coral fragments. Both M. cavernosa (n = 6) and S. siderea (n=4) became infected and developed BBD-like infections in the control tank, while there were temporary attachments to, but no successful infection of M. cavernosa (n=3) or S. siderea (n=2) in the experimental tank containing sodium molybdate. The results of this study reveal that a secondary pathogen is essential to the infection process and development of BBD in scleractinian corals. Specifically, SRB such as Desulfovibrio are required for the development of BBD on the coral host. This is the first step in understanding the roles of secondary pathogens in a complex, polymicrobial coral disease.

La enfermedad de la Banda Negra (BBD) es una enfermedad polimicrobiana compleja, que consiste en las cianobacterias, sulfuro oxidante y bacterias reductoras de sulfato (SRB) y bacterias heterotróficas. La cianobacteria Roseofilum reptotaenium se considera como el principal patógeno de BBD, pero otros miembros del consorcio pueden ser patógenos secundarios que son necesarios para el desarrollo de la enfermedad. Se conoce que las poblaciones de la bacteria reductora de sulfato Desulfovibrio están presentes en BBD y que estas poblaciones generan sulfuro dentro de la banda como un subproducto de la reducción del sulfato. También se conoce que la exposición de los corales sanos a sulfuro conduce a la lisis celular y la muerte del tejido de coral. Trabajos previos muestran que cuando recién colectado el tejido con BBD, que infecta fácilmente corales sanos, se expone al molibdato de sodio, un inhibidor específico de la reducción del sulfato, la infección no se produce. En este estudio analizamos el efecto del molibdato de sodio sobre la infección de los corales en un cultivo unialgal de R. reptotaenium. Fragmentos de coral de Montastraea cavernosa y Siderastrea siderea se transfirieron a dos acuarios experimentales, uno control con solo agua de mar artificial (ASW) y el segundo que contenía ASW y molibdato de sodio 2mM. Pequeñas esteras de cultivo R. reptotaenium se inocularon en la superficie de fragmentos experimentales de coral. Tanto M. cavernosa (n=6) y S. siderea (n=4) se infectaron y desarrollaron infecciones BBD- como en el tanque de control, mientras que había adjuntos temporales, sin infección exitosa en M. cavernosa (n=3) o S. siderea (n=2) en el tanque experimental con molibdato de sodio. Los resultados de este estudio revelan que un patógeno secundario es esencial para el proceso de infección y el desarrollo de BBD en corales escleractíneos. Específicamente, SRB como Desulfovibrio son necesarios para el desarrollo de BBD en el coral hospedero. Este es el primer paso en la comprensión de las funciones de los patógenos secundarios en una enfermedad polimicrobiana compleja de coral.

Insights into Migration and Development of Coral Black Band Disease Based on Fine Structure Analysis

In many diverse ecosystems, ranging from natural surfaces in aquatic ecosystems to the mammalian gut and medical implants, bacterial populations and communities exist as biofilms. While the process of biofilm development has been well-studied for those produced by unicellular bacteria such Pseudomonas aeruginosa, little is known about biofilm development associated with filamentous microorganisms. Black band disease (BBD) of corals is characterized as a polymicrobial biofilm (mat) community, visually-dominated by filamentous cyanobacteria. The mat migrates across a living coral host, completely lysing coral tissue and leaving behind exposed coral skeleton. It is the only known cyanobacterial biofilm that migrates across a substratum, thus eliciting questions about the mechanisms and unique characteristics of this system. Fragments of the coral Montastraea annularis, five artificially infected with BBD and two collected from a naturally BBD-infected colony, were used to address these questions by detailed examination using scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM). In areas close to the interface of coral tissue and the mature disease band two types of clusters of cyanobacteria were observed, one with random orientation and one with parallel orientation of filaments. The latter exhibited active secretion of extracellular polysaccharide (EPS) while the randomly oriented clusters did not. Within the well developed band cyanobacterial filaments were observed to be embedded in EPS and were present as layers of filaments in parallel orientation. These observations suggest that BBD cyanobacteria orient themselves and produce EPS in a sequential process during migration to form the complex BBD matrix.

En muchos ecosistemas diversos, que van desde ecosistemas acuáticos hasta los intestinos de mamíferos e implantes médicos, las poblaciones y comunidades de bacterias existen como biopelículas (biofilms). El proceso de desarrollo de las biopelículas ha sido bien estudiado para aquellos producidos por bacterias unicelulares como Pseudomonas aeruginosa, pero se conoce muy poco acerca del desarrollo de biopelículas asociadas con microorganismos filamentosos. La Enfermedad de Banda Negra (EBN) de coral es caracterizada como una comunidad polimicrobiana que forma una biopelícula (lecho), visualmente-dominada por una cianobacteria filamentosa. El lecho migra a través de un huésped de coral vivo, rompiendo completamente el tejido del coral y dejando atrás el esqueleto de coral expuesto. Es la única biopelícula cianobacteriana que migra a través de un sustrato, por lo tanto esto genera preguntas acerca de los mecanismos y las características únicas de este sistema. Fragmentos del coral Montastraea annularis, cinco artificialmente infectados con EBN y dos colectados de una colonia EBN-infectada, fueron usados para abordar estas preguntas mediante exámenes detallados con microscopía electrónica de barrido y de transmisión (MEB y MET). En zonas cercanas a la interfaz de tejido del coral y la banda de la enfermedad madura, se han observado dos tipos de grupos de cianobacterias, uno con orientación aleatoria y otro con una orientación paralela de los filamentos. Este último exhibe la secreción activa de polisacáridos extra-celulares (PEC), mientras que los grupos orientados al azar no lo hicieron. Dentro de la banda de filamentos cianobacterianas bien desarrollados se observó que estaban integradas en PEC y que se presentaban como capas de cianobacteria con orientación paralela. Estas observaciones sugieren que la cianobacteria de EBN se orienta a sí misma y produce PEC en un proceso secuencial durante la migración para formar la matriz complejo de EBN.

Arnfried Antonius, coral diseases, and the AMLC / Arnfried Antonius, las enfermedades de los corales y la AMLC

The study of coral diseases, coral pathogens, and the effects of diseases on tropical and subtropical coral reefs are all current, high-profile research areas. This interest has grown steadily since the first report of a coral disease in 1973. The author of this report was Arnfried Antonius and the publication was an abstract in the proceedings of a scientific meeting of the Association of Marine Laboratories of the Caribbean, or AMLC (then known as the Association of Island Marine Laboratories of the Caribbean). Since Antonius’ pioneering communication he continued working on coral diseases on reefs throughout the world, often documenting the first observation of a novel pathology in a novel location. Each of the coral diseases Antonius first described, in particular black band disease, is the subject of current and ongoing investigations addressing pathogens, etiology, and their effects on coral reefs. Many of the points and observations he made in his early papers are highly relevant to research today. This paper reviews aspects of Antonius’ early work, highlighting contributions he made that include the first in situ experimental studies aimed at discerning coral epizootiology and the first quantitative assessments of the role of environmental factors in coral disease. Antonius’ early findings are discussed in terms of relevant current controversies in this research area.

El estudio de las enfermedades de los corales, los patogenos de los corales y los efectos de estas enfermedades sobre los arrecifes tropicales y subtropicales son actualmente areas importantes de investigacion. El interés en este tema ha crecido continuamente desde el primer informe sobre una enfermedad de coral que se publico en 1973. El autor de este informe fue Arnfried Antonius y la publicacion fue un resumen en el Libro de Programa y Resumenes de la Decima Reunion de la Asociacion de Laboratorios Marinos Islenos del Caribe (conocida ahora como la Asociacion de Laboratorios Marinos del Caribe). Desde esta comunicacion pionera, Antonius siguio trabajando sobre las enfermedades de los corales en arrecifes alrededor del mundo, a menudo documentando la primera observacion de una nueva enfermedad en un nuevo lugar. Cada enfermedad de coral descrita por primera vez por Antonius es actualmente el objeto de investigaciones actuales en lo que se refiere a patogenos, ecologia de las enfermedades y los efectos sobre los arrecifes de coral. Muchas de las observaciones en sus trabajos tempranos siguen siendo relevantes en la investigacion actual. Este trabajo examinara ciertos aspectos de los estudios tempranos de Antonius sobre las enfermedades de los corales, poniendo de relieve sus contribuciones novedosas que incluyen los primeros experimentos in situ que tenian como objetivo el estudio de la etiologia de las enfermedades de los corales y los primeros analisis cuantitativos de la incidencia de las enfermedades de corales y de los patrones de distribución en funcion de los factores ambientales. Las contribuciones iniciales de Antonius se discuten en terminos de las controversias actuales sobre el tema.

Development and field application of a molecular probe for the primary pathogen of the coral disease white plague type II

Abstract: One of the current problems in the field of coral disease research is that of tracking coral pathogens in the natural environment.A promising method to do this is by use of pathogen-specific molecular probes. However,this approach has been little used to date.We constructed,and validated in the laboratory,a fluoro-chrome-labeled molecular probe specific to Aurantimonas coralicida ,the bacterial pathogen of the Caribbean coral disease white plague type II (WPII).We then used the probe to test field samples of diseased coral tissue for the presence of this pathogen.Probe design was based on a unique subset (25 nucleotides)of the complete16S rRNA gene sequence derived from a pure culture of the pathogen.The pathogen-specific probe was labeled with the fluorochrome GreenStar*™FITC (fluorescein isothiocyanate,GeneDetect Ltd,New Zealand).As a control, we used the universal eubacterial probe EUB 338,labeled with a different fluorochrome (TRITC,tetra-methyl-rhodamine isothiocyanate).Both probes were applied to laboratory samples of pure cultures of bacteria, and field samples collected from the surface of the disease line of corals exhibiting signs of white plague (types I and II),healthy controls,and corals with an uncharacterized disease ("patchy necrosis ").All samples were analyzed using fluorescence in situ hybridization (FISH).We have determined that the probe is specific to our laboratory culture of the coral pathogen,and does not react with other bacterial species (the eubacterial probe does).The WPII pathogen was detected in association with diseased coral samples collected from coral colonies on reefs of the Bahamas (n=9 samples)exhibiting signs of both WPI and WPII.Diseased (and healthy)tissue samples (n=4)from corals exhibiting signs of "patchy necrosis "were also assayed.In this case the results were negative, indicating that the same pathogen is not involved in the two diseases.Incorporation and use of pathogen-specific probes can...