Abstract Anthozoans (e.g., corals, anemones) are an ecologically important and diverse group of marine metazoans that occur from shallow to deep waters worldwide. However, our understanding of the evolutionary relationships among the ∼7500 species within this class is hindered by the lack of phylogenetically informative markers that can be reliably sequenced across a diversity of taxa. We designed and tested 16,308 RNA baits to capture 720 Ultraconserved Element loci and 1,071 exon loci. Library preparation and target enrichment was performed on 33 taxa from all orders within the class Anthozoa. Following Illumina sequencing and Trinity assembly, we recovered 1,774 of 1,791 targeted loci. The mean number of loci recovered from each species was 638 ± 222, with more loci recovered from octocorals (783 ± 138 loci) than hexacorals (475 ±187 loci). Phylogenetically informative sites ranged from 26-49% for alignments at differing hierarchical taxonomic levels (e.g., Anthozoa, Octocorallia, Hexacorallia). The percent of variable sites within each of three genera ( Acropora, Alcyonium , and Sinularia ) for which multiple species were sequenced ranged from 4.7-30%. Maximum likelihood analyses recovered highly resolved trees with topologies matching those supported by other studies, including the monophyly of the order Scleractinia. Our results demonstrate the utility of this target-enrichment approach to resolve phylogenetic relationships from relatively old to recent divergences. Re-designing the baits with improved affinities to capture loci within each sub-class will provide a valuable toolset to address systematic questions and further our understanding of the timing of diversifications in the class Anthozoa.

Abstract The degree of connectivity among populations influences their ability to respond to natural and anthropogenic stressors. In marine systems, determining the scale, rate, and directionality of larval dispersal is therefore central to understanding how coral metapopulations are interconnected and the degree of resiliency in the event of a localized disturbance. Understanding these source-sink dynamics is essential to guide restoration efforts and for the study of ecology and evolution in the ocean. The patterns and mechanisms of connectivity in the deep-sea (> 200 meters deep) are largely understudied. In this study, we investigated the spatial diversity patterns and metapopulation connectivity of the octocoral Paramuricea biscaya throughout the northern Gulf of Mexico (GoM). Paramuricea biscaya is one of the most abundant corals on the lower continental slope (between 1200 and 2500 m) in the GoM. The 2010 Deepwater Horizon oil spill (DWH) directly impacted populations of this species and thus are considered primary targets for restoration. We used a combination of seascape genomic analyses, high-resolution ocean circulation modeling, and larval dispersal simulations to quantify the degree of population structuring and connectivity among P. biscaya populations. Evidence supports the hypotheses that the genetic diversity of P. biscaya is predominantly structured by depth, and that larval dispersal among connected populations is asymmetric due to dominant ocean circulation patterns. Our results suggest that there are intermediate unsampled populations in the central GoM that serve as stepping stones for dispersal. The data suggest that the DeSoto Canyon area, and possibly the West Florida Escarpment, critically act as sources of larvae for areas impacted by the DWH oil spill in the Mississippi Canyon. This work illustrates that the management of deep-sea marine protected areas should incorporate knowledge of connectivity networks and depth-dependent processes throughout the water column.

ABSTRACT Metabarcoding analysis of environmental DNA samples is a promising new tool for marine biodiversity and conservation. Typically, seawater samples are obtained using Niskin bottles and filtered to collect eDNA. However, standard sample volumes are small relative to the scale of the environment, conventional collection strategies are limited, and the filtration process is time consuming. To overcome these limitations, we developed a new large – volume eDNA sampler with in situ filtration, capable of taking up to 12 samples per deployment. We conducted three deployments of our sampler on the robotic vehicle Mesobot in the Flower Garden Banks National Marine Sanctuary in the northwestern Gulf of Mexico and collected samples from 20 to 400 m depth. We compared the large volume (∼40 – 60 liters) samples collected by Mesobot with small volume (∼2 liters) samples collected using the conventional CTD – mounted Niskin bottle approach. We sequenced the V9 region of 18S rRNA, which detects a broad range of invertebrate taxa, and found that while both methods detected biodiversity changes associated with depth, our large volume samples detected approximately 66% more taxa than the CTD small volume samples. We found that the fraction of the eDNA signal originating from metazoans relative to the total eDNA signal decreased with sampling depth, indicating that larger volume samples may be especially important for detecting metazoans in mesopelagic and deep ocean environments. We also noted substantial variability in biological replicates from both the large volume Mesobot and small volume CTD sample sets. Both of the sample sets also identified taxa that the other did not – although the number of unique taxa associated with the Mesobot samples was almost four times larger than those from the CTD samples. Large volume eDNA sampling with in situ filtration, particularly when coupled with robotic platforms, has great potential for marine biodiversity surveys, and we discuss practical methodological and sampling considerations for future applications.

Abstract Coral-associated microbiomes vary greatly between colonies and localities with functional consequences on the host. However, the full extent of variability across the ranges of most coral species remains unknown, especially in corals living in deep waters. Here we characterized the microbiomes of four octocoral species from mesophotic and deep-sea habitats in the northern Gulf of Mexico, Muricea pendula, Swiftia exserta, Callogorgia delta, and Paramuricea biscaya using 16S metabarcoding. We tested for microbiome differentiation between and within species, examining the influence of the coral’s genotype and environmental factors that vary with depth (53-2224 m) and geographic location (over 680 m). Coral microbiomes were often dominated by amplicon sequence variants whose abundances varied across hosts’ ranges including corallicolids, Endozoicomonas , members of the Mollicutes, and the BD1-7 clade. Coral species, depth, and geographic location significantly affected diversity, microbial community composition, and the abundance of individual microbes. Differences in host genotype, bottom temperature, and surface primary productivity could explain part of the variation associated with depth and geographic location. Altogether, this work demonstrates that the microbiomes of corals vary substantially across their ranges with potential functional consequences, identifies important ecological drivers in mesophotic and deep-sea corals, and can inform restoration efforts.

Abstract The distributions of anthozoan corals are under-characterized due to their wide bathymetric range, occurrences in remote locales, and difficulties of identification from morphology alone. Environmental DNA (eDNA) sequencing promises to be a non-invasive strategy to complement conventional approaches for mapping and monitoring coral communities. Primers for eDNA meta-barcoding have been designed to amplify nuclear and mitochondrial DNA barcodes in shallow scleractinians and mitochondrial MutS in deep-sea octocorals. However, a comprehensive method for eDNA meta-barcoding from all anthozoan corals, including black corals, has not been developed. We leveraged a sequence database of global coral collections, from shallow water to the deep sea, to design new PCR primers for coral eDNA sequencing that target the 28S rRNA gene. We tested the performance of these primers by amplifying and sequencing eDNA from water samples collected in the Gulf of Mexico near mesophotic and deep-sea corals that were also imaged, sampled, and sequenced. Sequencing libraries produced using the primers were highly enriched in coral eDNA, with up to 99.8% of the reads originating from corals. Further, the 28S barcode amplified using the primers distinguished coral genera. We recovered amplicon sequencing variants (ASVs) identical to DNA barcodes derived from Sanger sequencing and genome skimming of corals sampled at the same field sites. This new eDNA meta-barcoding strategy permits targeted eDNA sequencing of black corals, octocorals, and scleractinians at sites where they co-occur and expands our current toolkit for mapping and monitoring coral communities in shallow coral reefs and the deep sea.

Abstract Fine-scale larval dispersal and connectivity processes are key to species survival, growth, recovery and adaptation under rapidly changing disturbances. Quantifying both are required to develop any effective management strategy. In the present work, we examine the dispersal pattern and potential connectivity of a common deep-water coral, Paramuricea biscaya , found in the northern Gulf of Mexico by evaluating predictions of physical models with estimates of genetic connectivity. While genetic approaches provide estimates of realized connectivity, they do not provide information on the dispersal process. Physical circulation models can now achieve kilometer-scale resolution sufficient to provide detailed insight into the pathways and scales of larval dispersal. A high-resolution regional ocean circulation model is integrated for 2015 and its advective pathways are compared with the outcome of the genetic connectivity estimates of corals collected at six locations over the continental slope at depths comprised between 1000 and 3000 meters. Furthermore, the likely interannual variability is extrapolated using ocean hindcasts available for this basin. The general connectivity pattern exhibits a dispersal trend from east to west following 1000 to 2000-meter isobaths, corresponding to the overall westward near-bottom circulation. The connectivity networks predicted by our model were mostly congruent with the estimated genetic connectivity patterns. Our results show that although dispersal distances of 100 km or less are common, depth differences between tens to a few hundred meters can effectively limit larval dispersal. A probabilistic graphic model suggests that stepping-stone dispersal mediated by intermediate sites provides a likely mechanism for long-distance connectivity between the populations separated by distances of 300 km or greater, such as those found in the DeSoto and Keathley canyons.

Abstract Like their shallow-water counterparts, cold-water corals create reefs that support highly diverse communities, and these structures are subject to numerous anthropogenic threats. Here, we present the genome assembly of Lophelia pertusa from the southeastern coast of the USA, the first one for a deep-sea scleractinian coral species. We generated PacBio CLR data for an initial assembly and proximity ligation data for scaffolding. The assembly was annotated using evidence from transcripts, proteins, and ab initio gene model predictions. This assembly is comparable to high-quality reference genomes from shallow-water scleractinian corals. The assembly comprises 2,858 scaffolds (N50 1.6 Mbp) and has a size of 556.9 Mbp. Approximately 57% of the genome comprises repetitive elements and 34% of coding DNA. We predicted 41,089 genes, including 91.1% of complete metazoan orthologs. This assembly will facilitate investigations into the ecology of this species and the evolution of deep-sea corals.

A new family of antipatharian corals, Ameripathidae (Cnidaria: Anthozoa: Antipatharia), is established for Ameripathes pseudomyriophylla Opresko & Horowitz, gen. et sp. nov. The new family resembles Myriopathidae and Stylopathidae in terms of the morphology of the polyps and tentacles and the pinnulate branching of the corallum. Phylogenetic analysis using a genomic data set of 741 conserved element loci indicates that the new family is sister to a clade containing the Myriopathidae, Stylopathidae, Antipathidae, and Aphanipathidae.

1: Numerous genomic methods developed over the past two decades have enabled the discovery and extraction of orthologous loci to help resolve phylogenetic relationships across various taxa and scales. Genome skimming (or low-coverage whole genome sequencing) remains a low-cost, promising method to not only extract high-copy loci, but also 100s to 1000s of phylogenetically informative single-copy nuclear loci (e.g., ultraconserved elements [UCEs] and exons) from contemporary and historical museum samples. The subphylum Anthozoa, which includes important ecosystem engineers (e.g., stony corals, black corals, anemones and octocorals) in the marine environment, is in critical need of phylogenetic resolution and thus might benefit from a genome-skimming approach. 2: Genome skimming was conducted on 242 hexacorals and octocorals collected from 1890 to 2022. Using previously developed target-capture baitsets, we bioinformatically obtained UCEs and exons from the genome-skimming data and incorporated them with data from previously published target-capture studies. We also extracted partial to whole mitogenomes and nuclear rRNA genes from the skim data. 3: The mean number of UCE and exon loci extracted from the genome skimming data was 1,837 ± 662 SD for octocorals and 1,422 ± 720 loci for hexacorals; phylogenetic relationships were well resolved within each class. A mean of 1,422 ± 720 loci were obtained from the historical museum specimens, with 1,253 loci recovered from the oldest specimen collected in 1886 and 1,336 loci recovered from a holotype. The nuclear rRNA genes and the majority of mitochondrial genes were successfully obtained from >95% of samples. Out of 99 circularized mitogenomes, 88% were recovered in samples from which we obtained >15M paired-end (PE) reads (>30M total reads); there was more variability in whether mitogenomes were circularized or not in samples with <15M PE reads. 4: Bioinformatically pulling UCEs, exons, mitochondrial genomes, and nuclear rRNA genes from genome skimming is a viable and low-cost option for phylogenetic studies. This approach can be used to review and support taxonomic revisions and reconstruct evolutionary histories, including historical museum and type specimens.

Abstract Background Coral-associated microbiomes vary greatly between colonies and localities with functional consequences on the host. However, the full extent of variability across the ranges of most coral species remains unknown, especially for corals living in deep waters which span greater ranges. Here, we characterized the microbiomes of four octocoral species from mesophotic and bathyal deep-sea habitats in the northern Gulf of Mexico, Muricea pendula, Swiftia exserta, Callogorgia delta, and Paramuricea biscaya, using 16S rRNA gene metabarcoding. We sampled extensively across their ranges to test for microbiome differentiation between and within species, examining the influence of environmental factors that vary with depth (53–2224 m) and geographic location (over 680 m) as well as the host coral’s genotype using RAD-sequencing. Results Coral microbiomes were often dominated by amplicon sequence variants whose abundances varied across their hosts’ ranges, including symbiotic taxa: corallicolids, Endozoicomonas , members of the Mollicutes , and the BD1-7 clade. Coral species, depth, and geographic location significantly affected diversity, microbial community composition, and the relative abundance of individual microbes. Depth was the strongest environmental factor determining microbiome structure within species, which influenced the abundance of most dominant symbiotic taxa. Differences in host genotype, bottom temperature, and surface primary productivity could explain a significant part of the microbiome variation associated with depth and geographic location. Conclusions Altogether, this work demonstrates that the microbiomes of corals in deep waters vary substantially across their ranges in accordance with depth and other environmental conditions. It reveals that the influence of depth on the ecology of mesophotic and deep-sea corals extends to its effects on their microbiomes which may have functional consequences. This work also identifies the distributions of microbes including potential parasites which can be used to inform restoration plans in response to the Deepwater Horizon oil spill.