Abstract Coral reefs are suffering a major decline due to the environmental constraints imposed by climate change. Over the last 20 years, three major coral bleaching events occurred in concomitance of anomalous heat waves, provoking a severe loss of coral cover worldwide. The conservation strategies for preserving reefs, as they are implemented now, cannot cope with global climatic shifts. Consequently, researchers are advocating the set-up of preservation frameworks to reinforce coral adaptive potential. However, the main obstacle to this implementation is that studies on coral adaption are usually hard to generalize at the scale of a reef system. Here, we study the relationships between frequencies of genetic markers with that of environmental characteristics of the sea (seascape genomics), in combination with connectivity analysis, to investigate the adaptive potential of a flagship coral species of the Ryukyu Archipelago (Japan). By associating genotype frequencies with descriptors of historical environmental conditions, we discovered six genomic regions hosting polymorphisms that might promote resistance against thermal stress. Remarkably, annotations of genes in these regions were consistent with molecular roles associated with heat responses. Furthermore, we combined information on genetic and spatial distances between reefs to predict connectivity at a regional scale. The combination between the results of these analyses portrayed the adaptive potential of this population: we were able to identify reefs carrying potential adaptive genotypes and to understand how they disperse to neighbouring reefs. This information was summarized by objective, quantifiable, and mappable indices covering the whole region, which can be extremely useful for future prioritization of reefs in conservation planning. This framework is transferable to any coral species on any reef system, and therefore represents a valuable tool for empowering preservation efforts dedicated to the protection of coral reef in warming oceans.

Abstract Anomalous heat waves are causing a major decline of hard corals around the world and threatening the persistence of coral reefs. There are, however, reefs that had been exposed to recurrent thermal stress over the years and whose corals appeared tolerant against heat. One of the mechanisms that could explain this phenomenon is local adaptation, but the underlying molecular mechanisms are poorly known. In this work, we applied a seascape genomics approach to study heat stress adaptation in three coral species of New Caledonia (southwestern Pacific) and to uncover molecular actors potentially involved. We used remote sensing data to characterize the environmental trends across the reef system, and sampled corals living at the most contrasted sites. These samples underwent next generation sequencing to reveal single-nucleotide-polymorphisms (SNPs) of which frequencies associated with heat stress gradients. As these SNPs might underpin an adaptive role, we characterized the functional roles of the genes located in their genomic neighborhood. In each of the studied species, we found heat stress associated SNPs notably located in proximity of genes coding for well-established actors of the cellular responses against heat. Among these, we can mention proteins involved in DNA damage-repair, protein folding, oxidative stress homeostasis, inflammatory and apoptotic pathways. In some cases, the same putative molecular targets of heat stress adaptation recurred among species. Together, these results underscore the relevance and the power of the seascape genomics approach for the discovery of adaptive traits that could allow corals to persist across wider thermal ranges.

Abstract The synthetic 17α-ethinylestradiol (EE2) is an estrogenic compound of oral contraceptives and therefore a common pollutant that has been suspected to affect the demography of river-dwelling salmonids. We study a population of European grayling ( Thymallus thymallus ) that suffers from sex ratio distortions. Here we test how ecologically relevant concentrations of EE2 affect sex-specific gene expression around early stages of sex differentiation. We collected gametes from F1s of wild spawners, used them for in vitro fertilizations, and raised the resulting embryos singly under experimentally controlled conditions. Embryos were either exposed to 1ng/L EE2 or sham-exposed. RNA was collected from samples taken 10 days before hatching, at the day of hatching, and towards the end of the yolk-sac stage, to study gene expression and relate it to genetic sex (sdY genotype). We found that EE2 affects gene expression of a very large number of genes especially at the day of hatching. The effects of EE2 on gene expression is strongly sex-specific. At the day of hatching, EE2 affected about twice as many genes in females than in males, and towards the end of the yolk-sac larval stage, EE2 effects were nearly exclusively observed in females. Among the many effects was, for example, a surprising EE2-induced molecular masculinization in the females’ heads. Histological examination of gonadal development of EE2-treated or sham-exposed juveniles during the first 4.5 months after hatching revealed a delaying effect of EE2 on sex differentiation. Because grayling sex determination goes through an all-male stage (a rare case of undifferentiated gonochorism), the rate of EE2-induced sex reversal could not be unequivocally determined during the observational period. However, two EE2-treated genetic males had ovarian tissues at the end of the study. We conclude that common levels of EE2 pollution affect grayling from very early stages on by interfering with male and female gene expression around the onset of sex differentiation, by delaying sex differentiation, and by feminizing some males. Author contribution MRR and CW initiated the project. OS, DM, LW, LMC, and CW sampled the adult fish, did the experimental in vitro fertilizations, and prepared the embryos for experimental rearing in the laboratory. All further manipulations on the embryos and the larvae were done by OS, DM, LW, and LMC. The RNA-seq data were analyzed by OS, JR, and MRR, the histological analyses were done by DM, supervised by SK, the molecular genetic sexing was performed by OS and DM, and EV supervised the EE2 analytics. OS and CW performed the remaining statistical analyses and wrote the first version of the manuscript that was then critically revised by all other authors.

Abstract Host to intricated networks of marine species, coral reefs are among the most biologically diverse ecosystems on Earth. Over the past decades, major degradations of coral reefs have been observed worldwide, which is largely attributed to the effects of climate change and local stressors related to human activities. Now more than ever, characterizing how the environment shapes the dynamics of the reef ecosystem is key to (1) uncovering the environmental drivers of reef degradation, and (2) enforcing efficient conservation strategies in response. To achieve these objectives, it is pivotal that environmental data characterizing such ecosystem dynamics, which occur across specific spatial and temporal scales, are easily accessible to coral reef researchers and conservation stakeholders alike. Here we present the Reef Environment Centralized Information System (RECIFS), an online repository of datasets describing reef environments worldwide over the past few decades. The data served through RECIFS originate from remote sensed datasets available in the public domain, and characterize various facets of the reef environment, including water chemistry and physics (e.g. temperature, pH, chlorophyll concentration), as well as anthropogenic local pressures (e.g. boat detection, distance from agricultural or urban areas). The datasets from RECIFS can be accessed at different spatial and temporal resolutions and are delivered through an intuitive web-application featuring an interactive map requiring no prior knowledge working with remote sensing or geographic information systems. The RECIFS web-application is available in complete open access at https://recifs.epfl.ch . We describe two case studies showing possible implementations of RECIFS to 1) characterize coral diversity in the Caribbean and 2) investigate local adaptation of a reef fish population in Northwest Australia.

Abstract As anomalous heat waves are causing the widespread decline of coral reefs worldwide, there is an urgent need to identify coral populations tolerant to thermal stress. Heat stress adaptive potential is the degree of tolerance expected from evolutionary processes and, for a given reef, depends on the arrival of propagules from reefs exposed to recurrent thermal stress. For this reason, assessing spatial patterns of thermal adaptation and reef connectivity is of paramount importance to inform conservation strategies. In this work, we applied a seascape genomics framework to characterize the spatial patterns of thermal adaptation and connectivity for coral reefs of New Caledonia (Southern Pacific). In this approach, remote sensing of seascape conditions was combined with genomic data from three coral species. For every reef of the region, we computed a probability of heat stress adaptation, and two indices forecasting inbound and outbound connectivity. We then compared our indicators to field survey data, and observed that decrease of coral cover after heat stress was lower at reefs predicted with high probability of adaptation and inbound connectivity. Last, we discussed how these indicators can be used to inform local conservation strategies and preserve the adaptive potential of New Caledonian reefs.

Fish can be threatened by distorted sex ratios that arise during sex differentiation. It is therefore important to understand sex determination and differentiation, especially in river-dwelling fish that are often exposed to environmental factors that may interfere with sex differentiation. However, sex differentiation is not sufficiently understood in keystone taxa such as the Thymallinae, one of the three salmonid subfamilies. Here we study a wild grayling (Thymallus thymallus) population that suffers from distorted sex ratios. We found sex determination in the wild and in captivity to be genetic and linked to the sdY locus. We therefore studied sex-specific gene expression in embryos and early larvae that were bred and raised under different experimental conditions, and we studied gonadal morphology in five monthly samples taken after hatching. Significant sex-specific changes in gene expression (affecting about 25,000 genes) started around hatching. Gonads were still undifferentiated three weeks after hatching, but about half of the fish showed immature testes around seven weeks after hatching. Over the next few months, this phenotype was mostly replaced by the testis-to-ovary or ovaries phenotypes. The gonads of the remaining fish, i.e. approximately half of the fish in each sampling period, remained undifferentiated until six months after fertilization. Genetic sexing of the last two samples revealed that fish with undifferentiated gonads were all males, who, by that time, were on average larger than the genetic females (verified in 8-months old juveniles raised in another experiment). Only 12% of the genetic males showed testicular tissue six months after fertilization. We conclude that sex differentiation starts around hatching, goes through an all-male stage for both sexes (which represents a rare case of undifferentiated gonochoristic species that usually go through an all-female stage), and is delayed in males who, instead of developing their gonads, grow faster than females during these juvenile stages.

An increasing number of studies are using landscape genomics to investigate local adaptation in wild and domestic populations. The implementation of this approach requires the sampling phase to consider the complexity of environmental settings and the burden of logistic constraints. These important aspects are often underestimated in the literature dedicated to sampling strategies.In this study, we computed simulated genomic datasets to run against actual environmental data in order to trial landscape genomics experiments under distinct sampling strategies. These strategies differed by design approach (to enhance environmental and/or geographic representativeness at study sites), number of sampling locations and sample sizes. We then evaluated how these elements affected statistical performances (power and false discoveries) under two antithetical demographic scenarios.Our results highlight the importance of selecting an appropriate sample size, which should be modified based on the demographic characteristics of the studied population. For species with limited dispersal, sample sizes above 200 units are generally sufficient to detect most adaptive signals, while in random mating populations this threshold should be increased to 400 units. Furthermore, we describe a design approach that maximizes both environmental and geographical representativeness of sampling sites and show how it systematically outperforms random or regular sampling schemes. Finally, we show that although having more sampling locations (between 40 and 50 sites) increase statistical power and reduce false discovery rate, similar results can be achieved with a moderate number of sites (20 sites). Overall, this study provides valuable guidelines for optimizing sampling strategies for landscape genomics experiments.

Abstract Coral reefs around the world are under threat from anomalous heat waves that are causing the widespread decline of hard corals. Different coral taxa are known to have different sensitivities to heat, although variation in susceptibilities have also been observed within the same species living in different environments. Characterizing such taxa-specific variations is key to enforcing efficient reef conservation strategies. Here, we combine worldwide-reef-survey data with remote sensed environmental variables to evaluate how local differences in taxa-specific coral cover are associated with past trends of thermal anomalies, as well as of non-heat related conditions. While the association with non-heat related environmental variation was seldom significant, we found that heat stress trends matched local differences in coral cover. Coral taxa were sorted based on the different patterns of associations with heat stress. For branching, tabular and corymbose Acroporidae, reefs exposed to recent heat stress (measured the year before the survey) had lower coral cover than locally expected; and among these reefs, those previously exposed to frequent past heat stress (measured since 1985) displayed relatively higher coral cover, compared to those less frequently exposed. For massive and encrusting Poritidae, and for meandroid Favidae and Mussidae, we observed a negative association of coral cover with recent heat stress; however, unlike with Acroporidae, these associations were weaker and did not vary with past heat exposure. For Pocilloporidae, we found a positive association between coral cover and recent heat stress for reefs frequently exposed to past heat, while we found a negative association at reefs less frequently exposed to past heat. A similar pattern was observed for the branching Poritidae, although the associations were weaker and not statistically significant. Overall, these results show taxa-specific heat association patterns that might correspond to taxa-specific responses to past heat exposure, such as shifts in the assembly of coral communities, evolutionary adaptation or physiological acclimation.

Occurrence of bacteria belonging to the order Chlamydiales was investigated for the first time in common toad (Bufo bufo) tadpole populations collected from 41 ponds in the Geneva metropolitan area, Switzerland. A Chlamydiales-specific Real-Time PCR was used to detect and amplify the Chlamydiales 16S rRNA-encoding gene from the tails of 375 tadpoles. We found the studied amphibian populations to be infected by "Chlamydia-like organisms" (CLOs) attributable to the genera Similichlamydia, Neochlamydia, Protochlamydia and Parachlamydia (belonging to the family Parachlamydiaceae), Simkania (family Simkaniaceae) and Estrella (family Criblamydiaceae); additionally, DNA from the genus Thermoanaerobacter (family Thermoanaerobacteriaceae) was detected. A global autocorrelation analysis did not reveal a spatial structure in the observed CLOs infection rates, and association tests involving land cover characteristics did not evidence any clear effect on CLOs infection rates in B. bufo. Despite preliminary, these results suggest a random and ubiquitous distribution of CLOs in the environment, which would support the biogeographical expectation "everything is everywhere" for the concerned microorganisms and their amoeba vectors.

The dramatic decline of reef-building corals calls for a better understanding of coral adaptation to ocean warming. Here, we characterized genetic diversity of the widespread genus Acropora by building a genomic database of 547 coral samples from different oceanic regions—from the Great Barrier Reef to the Persian Gulf. Through genome-environment associations, we found that different Acropora species showed evolutionary signals of heat-adaptation in the same genomic regions, pointing to genes associated with molecular heat shock responses and symbiosis. These adaptive signals were uncommon in Acropora populations exposed to less than two heatwaves, indicating a potential genomic vulnerability to future heat exposure. We showed that genomic vulnerability estimates corroborate local and global patterns of coral decline, and used these estimates to reassess global coral reef conservation risks and priorities.