Contemporary climate change is characterized both by increasing mean temperature and increasing climate variability such as heat waves, storms, and floods. How populations and communities cope with such climatic extremes is a question central to contemporary ecology and biodiversity conservation. Previous work has shown that species diversity can affect ecosystem functioning and resilience. Here, we show that genotypic diversity can replace the role of species diversity in a species-poor coastal ecosystem, and it may buffer against extreme climatic events. In a manipulative field experiment, increasing the genotypic diversity of the cosmopolitan seagrass Zostera marina enhanced biomass production, plant density, and faunal abundance, despite near-lethal water temperatures due to extreme warming across Europe. Net biodiversity effects were explained by genotypic complementarity rather than by selection of particularly robust genotypes. Positive effects on invertebrate fauna suggest that genetic diversity has second-order effects reaching higher trophic levels. Our results highlight the importance of maintaining genetic as well as species diversity to enhance ecosystem resilience in a world of increasing uncertainty.

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.

Sexual selection has been proposed as one mechanism to explain the maintenance of high allelic diversity in MHC genes that control the extent of resistance against pathogens and parasites in natural populations. MHC-based sexual selection is known to involve olfactory mechanisms in fish, mice, and humans. During mate choice, females of the three-spined stickleback ( Gasterosteus aculeatus ) use an odor-based selection strategy to achieve an optimal level of MHC diversity in their offspring, equipping them with optimal resistance toward pathogens and parasites. The molecular mechanism of odor-based mate-selection strategies is unknown. Because peptide ligands for MHC class I molecules function as individuality signals in mice, we hypothesized that female sticklebacks might assess the degree of MHC diversity of potential partners by means of the structural diversity of the corresponding peptide ligands in perceived odor signals. We show that structurally diverse MHC ligands interact with natural odors of male sticklebacks to predictably modify MHC-related mate choice. For a mating pair with suboptimal numbers of MHC alleles, peptides increase the attractiveness of male water, whereas for a mating pair with superoptimal numbers, attractiveness is decreased. Our results suggest that female sticklebacks use evolutionarily conserved structural features of MHC peptide ligands to evaluate MHC diversity of their prospective mating partners.

Abstract I summarize marine studies on plastic versus adaptive responses to global change. Due to the lack of time series, this review focuses largely on the potential for adaptive evolution in marine animals and plants. The approaches were mainly synchronic comparisons of phenotypically divergent populations, substituting spatial contrasts in temperature or CO 2 environments for temporal changes, or in assessments of adaptive genetic diversity within populations for traits important under global change. The available literature is biased towards gastropods, crustaceans, cnidarians and macroalgae. Focal traits were mostly environmental tolerances, which correspond to phenotypic buffering, a plasticity type that maintains a functional phenotype despite external disturbance. Almost all studies address coastal species that are already today exposed to fluctuations in temperature, p H and oxygen levels. Recommendations for future research include (i) initiation and analyses of observational and experimental temporal studies encompassing diverse phenotypic traits (including diapausing cues, dispersal traits, reproductive timing, morphology) (ii) quantification of nongenetic trans‐generational effects along with components of additive genetic variance (iii) adaptive changes in microbe–host associations under the holobiont model in response to global change (iv) evolution of plasticity patterns under increasingly fluctuating environments and extreme conditions and (v) joint consideration of demography and evolutionary adaptation in evolutionary rescue approaches.

ABSTRACT Seagrasses comprise the only submerged marine angiosperms, a feat of adaptation from three independent freshwater lineages within the Alismatales. These three parallel lineages offer the unique opportunity to study convergent versus lineage-specific adaptation to a fully marine lifestyle. Here, we present chromosome-level genome assemblies from a representative species of each of the seagrass lineages - Posidonia oceanica (Posidoniaceae), Cymodocea nodosa (Cymodoceaceae), and Thalassia testudinum (Hydrocharitaceae) - along with an improved assembly for Zostera marina (Zosteraceae). We also include a draft genome of Potamogeton acutifolius , a representative of Potamogetonaceae, the freshwater sister lineage to the Zosteraceae. Genome analysis reveals that all seagrasses share an ancient whole genome triplication (WGT) event, dating to the early evolution of the Alismatales. An additional whole genome duplication (WGD) event was uncovered for C. nodosa and P. acutifolius . Dating of ancient WGDs and more recent bursts of transposable elements correlate well with major geological and recent climatic events, supporting their role as rapid generators of genetic variation. Comparative analysis of selected gene families suggests that the transition from the submerged-freshwater to submerged-marine environment did not require revolutionary changes. Major gene losses related to, e.g., stomata, volatiles, defense, and lignification, are likely a consequence of the submerged lifestyle rather than the cause (‘use it or lose it’). Likewise, genes, often retained from the WGD and WGT, were co-opted for functions requiring the alignment of many small adaptations (‘tweaking’), e.g., osmoregulation, salinity, light capture, carbon acquisition, and temperature. Our ability to manage and conserve seagrass ecosystems depends on our understanding of the fundamental processes underpinning their resilience. These new genomes will accelerate functional studies and are expected to contribute to transformative solutions — as continuing worldwide losses of the ‘savannas of the sea’ are of major concern in times of climate change and loss of biodiversity.

Abstract The associated microbiota of marine invertebrates plays an important role to the host in relation to fitness, health and homeostasis of the metaorganism. As one key chemically-mediated interaction, Quorum sensing (QS) and interference with QS among colonizing bacteria ultimately affects the establishment and dynamics of the microbial community on the host. Aiming to address interspecies competition of cultivable microbes associated to merging model species of the basal animal phyla Cnidaria ( Aurelia aurita ) and Ctenophora ( Mnemiopsis leidyi ) as well as to evaluate their potential to shape the associated community by interfering with QS, we performed a classical isolation approach. Overall, 84 bacteria were isolated from A. aurita medusae and polyps, 64 bacteria from M. leidyi , and 83 bacteria from the ambient seawater, followed by taxonomically classification by full length 16S rRNA gene analysis. The results show that the moon jellyfish A. aurita and the comb jelly M. leidyi harbor a cultivable core microbiota consisting of typical marine and ubiquitously found bacteria (e.g. Chryseobacter, Microbacterium, Micrococcus, Olleya, Phaeobacter, Pseudoalteromonas, Pseudomonas, Rhodococcus, Shewanella, Staphylococcus , and Vibrio ) which can also be found in the ambient seawater. However, several bacteria were restricted to one host (e.g. for A. aurita: Bacillus, Glaciecola, Ruegeria, Luteococcus; for M. leidyi: Acinetobacter, Aeromonas, Colwellia, Exiguobacterium, Marinomonas, Pseudoclavibacter, Psychrobacter, Sagittula, Thalassomonas ) suggesting host-specific microbial community patterns. Evaluating QQ activities, out of 231 isolates, 121 showed QS-interfering activity. They mainly interfered with the acyl homoserine lactone (AHL) based communication, whereas 21 showed simultaneous quorum quenching activities against AHL and autoinducer-2. Overall, this study provides insights into the cultivable part of the microbiota associated to two environmentally important marine non-model organisms and discloses their potential in synthesizing QS interfering compounds, potentially important in shaping a healthy and resilient microbiota.

Abstract Age and longevity are key parameters for demography and life-history evolution of organisms. In clonal species, a widespread life history among animals, plants, macroalgae and fungi, the sexually produced offspring (genet) grows indeterminately by producing iterative modules, or ramets, and so obscure their age. Here we present a novel molecular clock based on the accumulation of fixed somatic genetic variation that segregates among ramets. Using a stochastic model, we demonstrate that the accumulation of fixed somatic genetic variation will approach linearity after a lag phase, and is determined by the mitotic mutation rate, without direct dependence on asexual generation time. The lag phase decreased with lower stem cell population size, number of founder cells for the formation of new modules, and the ratio of symmetric versus asymmetric cell divisions. We calibrated the somatic genetic clock on cultivated eelgrass Zostera marina genets (4 and 17 years respectively). In a global data set of 20 eelgrass populations, genet ages were up to 1,403 years. The somatic genetic clock is applicable to any multicellular clonal species where the number of founder cells is small, opening novel research avenues to study longevity and, hence, demography and population dynamics of clonal species.