Seagrasses colonized the sea on at least three independent occasions to form the basis of one of the most productive and widespread coastal ecosystems on the planet. Here we report the genome of Zostera marina (L.), the first, to our knowledge, marine angiosperm to be fully sequenced. This reveals unique insights into the genomic losses and gains involved in achieving the structural and physiological adaptations required for its marine lifestyle, arguably the most severe habitat shift ever accomplished by flowering plants. Key angiosperm innovations that were lost include the entire repertoire of stomatal genes, genes involved in the synthesis of terpenoids and ethylene signalling, and genes for ultraviolet protection and phytochromes for far-red sensing. Seagrasses have also regained functions enabling them to adjust to full salinity. Their cell walls contain all of the polysaccharides typical of land plants, but also contain polyanionic, low-methylated pectins and sulfated galactans, a feature shared with the cell walls of all macroalgae and that is important for ion homoeostasis, nutrient uptake and O2/CO2 exchange through leaf epidermal cells. The Z. marina genome resource will markedly advance a wide range of functional ecological studies from adaptation of marine ecosystems under climate warming, to unravelling the mechanisms of osmoregulation under high salinities that may further inform our understanding of the evolution of salt tolerance in crop plants.

Abstract Why, in facultative asexual species, marginal populations are often richer in clones than are core populations, remains unclear. Cloning freezes genotypes but hampers recombination and local adaptation. During expansion, clones are favoured over non-selfing sexuals by uniparental reproduction. To better understand the dynamics of clones and sexual lineage, we used genome-wide sequencing to analyse a recently expanded seaweed. We found large clones and sexual populations mixed close to range margins. Clones had evolved repeatedly from sexual populations but were unexpectedly low in genetic variation. Modelling suggested clones form from sexual populations after repeated bottlenecks at the expansion front. A clonal wave of depauperate genotypes thereafter spread ahead of the sexual population. As we observed, these early formed clones may survive side-by-side sexual individuals, which suggests they lost their sexual capacity. Our study illustrates how range expansion can result in complex and dynamic patterns of genetic variation in facultative asexual species. Teaser We use genome data and modelling to find out why large clones are only found at range margins in a recently expanded seaweed

Abstract The salinity gradient separating marine and freshwater environments represents a major ecological divide for microbiota, yet the mechanisms by which marine microbes have adapted to and ultimately diversified in freshwater environments are poorly understood. Here, we take advantage of a natural evolutionary experiment: the colonization of the brackish Baltic Sea by the ancestrally marine diatom Skeletonema marinoi . To understand how diatoms respond to low salinity, we characterized transcriptomic responses of S. marinoi grown in a common garden. Our experiment included eight genotypes from source populations spanning the Baltic Sea salinity cline. Changes in gene expression revealed a shared response to salinity across genotypes, where low salinities induced profound changes in cellular metabolism, including upregulation of carbon fixation and storage compound biosynthesis, and increased nutrient demand and oxidative stress. Nevertheless, the genotype effect overshadowed the salinity effect, as genotypes differed significantly in their response, both in the magnitude and direction of gene expression. Intraspecific differences included regulation of transcription and translation, nitrogen metabolism, cell signaling, and aerobic respiration. The high degree of intraspecific variation in gene expression observed here highlights an important but often overlooked source of biological variation associated with how diatoms respond and adapt to environmental change.

Abstract Sandy beaches are biogeochemical hotspots that bridge marine and terrestrial ecosystems via the transfer of marine organic matter, such as seaweed (termed wrack). A keystone of this unique ecosystem is the microbial community, which helps to degrade wrack and re-mineralize nutrients. However, little is known about the wrackbed microbiome, its composition, trophic ecology, or how it varies over time and space. Here we characterize the wrackbed microbiome as well as the microbiome of a primary consumer, the seaweed fly Coelopa frigida , and examine how they change along one of the most studied ecological gradients in the world, the transition from the marine North Sea to the brackish Baltic Sea. We found that polysaccharide degraders dominated both the wrackbed and seaweed fly microbiomes but there were still consistent differences between wrackbed and fly samples. Furthermore, we observed a shift in both microbial communities and functionality between the North and Baltic Sea. These shifts were mostly due to changes in the frequency of different groups of known polysaccharide degraders (Proteobacteria and Bacteroidota). We hypothesize that microbes were selected for their abilities to degrade different polysaccharides corresponding to a shift in polysaccharide content in the seaweed communities of the North vs. Baltic Sea. Our results reveal the complexities of both the wracked microbial community, with different groups specialized to different roles, and the cascading trophic consequences of shifts in the near shore algal community.

Advances in high-throughput sequencing techniques now allow relatively easy and affordable sequencing of large portions of the genome, even for non-model organisms. Many phylogenetic studies reduce costs by focusing their sequencing efforts on a selected set of targeted loci, commonly enriched using sequence capture. The advantage of this approach is that it recovers a consistent set of loci, each with high sequencing depth, which leads to more confidence in the assembly of target sequences. High sequencing depth can also be used to identify phylogenetically informative allelic variation within sequenced individuals, but allele sequences are infrequently assembled in phylogenetic studies. Instead, many scientists perform their phylogenetic analyses using contig sequences which result from the de novo assembly of sequencing reads into contigs containing only canonical nucleobases, and this may reduce both statistical power and phylogenetic accuracy. Here, we develop an easy-to-use pipeline to recover allele sequences from sequence capture data, and we use simulated and empirical data to demonstrate the utility of integrating these allele sequences to analyses performed under the Multispecies Coalescent (MSC) model. Our empirical analyses of Ultraconserved Element (UCE) locus data collected from the South American hummingbird genus Topaza demonstrate that phased allele sequences carry sufficient phylogenetic information to infer the genetic structure, lineage divergence, and biogeographic history of a genus that diversified during the last three million years. The phylogenetic results support the recognition of two species, and suggest a high rate of gene flow across large distances of rainforest habitats but rare admixture across the Amazon River. Our simulations provide evidence that analyzing allele sequences leads to more accurate estimates of tree topology and divergence times than the more common approach of using contig sequences.

Since the beginning of global trade, hundreds of species have colonized territories outside of their native range. Some of these species proliferate at the expense of native ecosystems, i.e., have become invasive. Invasive species constitute powerful in situ experimental systems to study fast adaptation and directional selection on short ecological timescales. They also present promising case studies for ecological and evolutionary success in novel environments.We seize this unique opportunity to study genomic substrates for ecological success and adaptability to novel environments in a vertebrate. We report a highly contiguous long-read based genome assembly for the most successful temperate invasive fish, the benthic round goby ( Neogobius melanostomus ), and analyse gene families that may promote its impressive ecological success.Our approach provides novel insights from the large evolutionary scale to the small species-specific scale. We describe expansions in specific cytochrome P450 enzymes, a remarkably diverse innate immune system, an ancient duplication in red light vision accompanied by red skin fluorescence, evolutionary patterns in epigenetic regulators, and the presence of genes that may have contributed to the round goby’s capacity to invade cold and salty waters.A recurring theme across all analyzed gene families are gene expansions. This suggests that gene duplications may promote ecological flexibility, superior performance in novel environments, and underlie the impressive colonization success of the round goby. Gobiidae generally feature fascinating adaptations and are excellent colonizers. Further long-read genome approaches across the goby family may reveal whether the ability to conquer new habitats relates more generally to gene copy number expansions.

Marine phytoplankton play essential roles in global primary production and biogeochemical cycles. Yet, the evolutionary genetic underpinnings of phytoplankton adaptation to complex marine and coastal environments, where many environmental variables fluctuate and interact, remain unclear. We combined population genomics data with experimental transcriptomics to investigate the genomic basis underlying a natural evolutionary experiment that has played out over the past 8,000 years in one of the world9s largest brackish water bodies: the colonization of the Baltic Sea by the marine diatom Skeletonema marinoi. To this end, we used a novel approach for protist population genomics, combining target capture of the entire nuclear genome with pooled sequencing, and showed that the method performs well on both cultures and single cells. Genotype-environment association analyses identified >3,000 genes with signals of selection in response to major environmental gradients in the Baltic Sea, which apart from salinity, include marked differences in temperature and nutrient availability. Locally adapted genes were related to diverse metabolic processes, including signal transduction, cell cycle, DNA methylation, and maintenance of homeostasis. The locally adapted genes showed significant overlap with salinity-responsive genes identified in a laboratory common garden experiment, suggesting the Baltic salinity gradient is a major factor driving local adaptation of S. marinoi. Altogether, our data show that local adaptation of phytoplankton to complex coastal environments, which are characterized by a multitude of environmental gradients, is driven by intricate changes in diverse metabolic pathways and functions.

Abstract Evolutionary changes in populations of microbes, such as microalgae, cannot be traced using conventional metabarcoding loci as they lack intraspecific resolution. Consequently, selection and competition processes amongst strains of the same species cannot be resolved without elaborate isolation, culturing, and genotyping efforts. Bamboozle, a new bioinformatic tool introduced here, scans a species’ entire genome and identifies allele-rich barcodes that enable direct identification of different strains from a common population, and a single DNA sample, using amplicon sequencing. We demonstrate its usefulness by identifying hypervariable barcoding loci (<500 bp) from genomic data in two microalgal species, the diploid diatom Skeletonema marinoi , and the haploid chlorophyte Chlamydomonas reinhardtii . Across the genomes, only 26 loci capable of resolving all available strains’ genotypes were identified, all of which are within protein-coding genes of variable metabolic function. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) provided the most reliable genetic markers, and amongst 55 strains of S. marinoi, three 500 bp loci contained, on average, 46 SNPs, 103 unique alleles, and displayed 100% heterozygosity. The prevalence of heterozygosity was identified as a novel opportunity to improve strain quantification and detect false positive artefacts during denoising of amplicon sequences. Finally, we illustrate how metabarcoding of a single genetic locus can be used to track strain abundances of 58 strains of S. marinoi in an artificial selection experiment. As future genomics datasets become available and DNA sequencing technologies develop, Bamboozle has flexible user settings enabling optimal barcodes to be designed for other species and applications.

Abstract Background The Andean Fever tree ( Cinchona L.; Rubiaceae) is the iconic source of bioactive quinine alkaloids, which have been vital to treating malaria for centuries. C. pubescens Vahl, in particular, has been an essential source of income for several countries within its native range in north-western South America. However, an absence of available genomic resources is essential for placing the Cinchona species within the tree of life and setting the foundation for exploring the evolution and biosynthesis of quinine alkaloids. Findings We address this gap by providing the first highly contiguous and annotated nuclear and organelle genome assemblies for C. pubescens . Using a combination of ∼120 Gb of long sequencing reads derived from the Oxford Nanopore PromethION platform and 142 Gb of short-read Illumina data. Our nuclear genome assembly comprises 603 scaffolds comprising a total length of 904 Mb, and the completeness represents ∼85% of the genome size (1.1 Gb/1C). This draft genome sequence was complemented by annotating 72,305 CDSs using a combination of de novo and reference-based transcriptome assemblies. Completeness analysis revealed that our assembly is moderately complete, displaying 83% of the BUSCO gene set and a small fraction of genes (4.6%) classified as fragmented. Additionally, we report C. pubescens plastome with a length of ∼157 Kb and a GC content of 37.74%. We demonstrate the utility of these novel genomic resources by placing C. pubescens in the Gentianales order using additional plastid and nuclear datasets. Conclusions Our study provides the first genomic resource for C. pubescens , thus opening new research avenues, including the provision of crucial genetic resources for analysis of alkaloid biosynthesis in the Fever tree.

Phylogenetic methods that rely on information from multiple, unlinked genes have recently been developed for resolving complex situations where evolutionary relationships do not conform to bifurcated trees and are more adequately depicted by networks. Such situations arise when successive interspecific hybridizations in combination with genome duplications have shaped species phylogenies. Several processes such as homoeolog loss and deep coalescence can potentially hamper our ability to recover the historical signal correctly. Consequently the prospect of reconstructing accurate phylogenies lies in the combination of several low-copy nuclear markers that when used in concert can provide homoeologs for all the ancestral genomes and help to disentangle gene tree incongruence due to deep coalescence events. The genus Silene L. is a prime example of a plant group whose evolutionary history involves numerous events of hybridization and polyploidization. As for many groups there is currently a shortage of low-copy nuclear markers, for which phylogenetic usefulness has been demonstrated. Here, we present two Expressed Sequence Tag (EST) libraries for two species of Silene that belong to large phylogenetic groups not previously investigated with next generation technologies. The assembled and annotated transcriptomes are used for identifying low copy number nuclear regions, suitable for sequencing.