Abstract The unstable nature of freshwater ponds in arid landscapes represent a sizable challenge for strictly aquatic organisms, such as fishes. Yet the Arabian Desert, bordering the coastline of the Red Sea, plays host to a species very well adapted to such extreme environments: the Arabian pupfish, Aphanius dispar . In this study, we estimated patterns of hydrological connectivity; population structure and stable isotope for samples of A. dispar living in small, isolated ponds of nearly-freshwater in the Arabian desert and highly saline coastal lagoons along the Red Sea. The genomic and hydrological analyses indicate that populations are largely separated by drainage origin, as fish from desert ponds appear to be transported to coastal lagoons of the Red Sea along ephemeral river systems arising from flash flood events. Further, our study indicates there is an ecological change when being washed from pond environments to coastal waters, due to a significant shift in muscle stable isotopes ratios between both groups. Considering that the genetic breaks are mostly observed between drainage origin, this study suggests that A. dispar can survive large changes in salinity and ecological regimes over small time-scales.

Abstract Temperature is a primary factor affecting the survival, development, and physiology of aquatic ectothermic animals and global warming of water bodies may therefore impact several biological levels of aquatic life. Understanding the effects of near-future predicted temperature changes on the behaviour and the underlying molecular mechanisms of aquatic animals is of particular importance, since behaviour mediates key interactions and, in turn, population dynamics. In this study, we investigate the effects of elevated developmental temperature on locomotor behaviour and olfactory learning in the zebrafish, Danio rerio . We exposed zebrafish from cleavage embryonic stage to either current day control (28°C) or predicted future elevated temperature (30°C) for seven days. Overall, warming reduced the total routine swimming distance and caused the upregulation of a small number of genes involved in metabolism and neuron development, suggesting accelerated development at elevated temperature. When fish were exposed to two different olfactory cues, namely catfish cue, a non-alarming but novel odour, and injured conspecifics alarm cue expected to cause a fear reaction, warming differently affected larvae response to the two cues. In particular, a large transcriptional reprogramming was observed at elevated temperature in response to novel odour exposure, with upregulation of cell signalling, neuron development and neuron functioning genes. As this response was coupled with downregulation of genes involved in protein translation and ATP metabolism, it indicates that novel odour recognition in future-predicted thermal conditions will require energetic trade-offs between expensive baseline processes and responsive functions. To also evaluate their learning abilities at both temperatures, 7 days post fertilization (dpf) zebrafish were conditioned with a mixture of injured conspecifics alarm cue and non-alarming catfish cue. Regardless of temperature, no behavioural (freezing) nor gene expression changes were detected, reinforcing our previous findings that warming mainly affects zebrafish molecular response to novel odours. Overall, our results show that future thermal conditions will likely impact developing stages, causing energy trade-offs following olfactory detection of novel substances in the environment.

Population and species persistence in a rapidly warming world will be determined by an organisms9 ability to acclimate to warmer conditions, especially across generations. There is potential for transgenerational acclimation, but the importance of ontogenetic timing in the transmission of environmentally induced parental effects remains mostly unknown. We aimed to disentangle the contributions of two critical ontogenetic stages (juvenile development and adult reproduction) to transgenerational plasticity, by exposing the coral reef fish Acanthochromis polyacanthus to simulated ocean warming with natural diel thermal fluctuations across two generations. By using hepatic transcriptomics, we discovered that the developmental environment of the offspring themselves had little effect on their acclimation potential at 2.5 months of life. Instead, the developmental experience of parents increased regulatory RNA production and protein synthesis, which could improve the offspring9s response to warming. Conversely, reproduction in warmer water elicited stress response mechanisms, with suppression of translation and mitochondrial respiration. Mismatches between temperatures in the parental ontogenetic thermal experience deeply affected offspring gene expression profiles, and detrimental effects were also evident when warming occurred both during parents9 development and reproduction. This study reveals that the previous generation9s developmental temperature contributes substantially to thermal acclimation potential during early life, however prolonged heat stress will likely have adverse effects on the species9 persistence.

The environment experienced by one generation has the potential to affect the subsequent one through non-genetic inheritance of parental effects. Since both mothers and fathers can influence their offspring, questions arise regarding how the maternal, paternal and offspring experiences integrate into the resulting phenotype. We aimed to disentangle the maternal and paternal contributions to transgenerational thermal acclimation in a reef fish, Acanthochromis polyacanthus, by exposing two generations to elevated temperature (+1.5°C) in a full factorial design and analyzing the F2 hepatic gene expression. Paternal and maternal effects showed common but also parent-specific components, with the father having the largest influence in shaping the offspring transcriptomic profile. Fathers contributed to transgenerational response to warming through transfer of epigenetically controlled stress-response mechanisms while mothers influenced increased lipid metabolism regulation. However, the key to acclimation potential was matching thermal experiences of the parents. When both parents were exposed to the same condition, offspring showed increased structural RNA production and transcriptional regulation, whereas environmental mismatch in parents resulted in maladaptive parental condition-transfer, revealed by translation suppression and endoplasmic reticulum stress. Interestingly, the offspring9s own environmental experience had the smallest influence on their hepatic transcription profiles. Taken together, our results show the complex nature of the interplay between paternal, maternal and offspring cue integration, and reveal that acclimation potential to ocean warming depends not only on maternal and paternal contributions, but importantly on congruent parental thermal experiences.

ABSTRACT The majority of the transcribed genome does not have coding potential but is composed of non-coding transcripts that are involved in transcriptional and post-transcriptional regulation of protein-coding genes. Regulation of gene expression is important in determining the response of organisms to changes in the environment, and therefore their persistence as population or species under global change. However, long non-coding RNAs (lncRNAs) are scarcely studied especially in non-model organisms due to the lack of a reliable pipeline for their accurate identification and annotation. Here, we present a pipeline which uses a combination of alignment-dependent and independent methods for the identification of conserved and species-specific lncRNAs from RNA-Seq data. Validation of this pipeline was performed using existing RNA-Seq data from Acanthochromis polyacanthus brain tissue, identifying a total of 4,728 lncRNAs across the genome, the majority of which (3,272) are intergenic. To investigate the possible implications of these intergenic lncRNAs (lincRNAs), we estimated the expression changes of lincRNAs and coding genes in response to ocean acidification. We found lincRNAs which neighbour or possibly trans-regulate differentially expressed coding genes related to pH regulation, neural signal transduction and ion transport, which are known to be important in the response to ocean acidification in fish. Overall, this pipeline enables the use of existing RNA sequencing data to reveal additional underlying molecular mechanisms involved in the response to environmental changes by integrating the study of lncRNAs with gene expression.

Abstract The Arabian pupfish, Aphanius dispar , is a euryhaline fish inhabiting both inland nearly-freshwater desert ponds and highly saline Red Sea coastal lagoons of the Arabian Peninsula. Red Sea populations have been found to receive migrants from desert ponds that are flushed out to sea during flash floods, requiring rapid acclimation to a greater than 40 ppt change in salinity. To investigate the molecular pathways of salinity acclimation during such colonization events, a Red Sea coastal lagoon and a desert pond population were sampled, with the latter exposed to a rapid increase in water salinity. Changes in branchial gene expression were investigated via genome-wide transcriptome measurements over time from 6 hours to 21 days. The two natural populations displayed basal differences in genes related to ion transport, osmoregulation and immune system functions. These mechanisms were also differentially regulated in seawater transferred fish, revealing their crucial role in long-term adaptation. Other processes were only transiently activated shortly after the salinity exposure, including cellular stress response mechanisms, such as molecular chaperone synthesis and apoptosis. Tissue remodeling processes were also identified as transient, but took place later in the timeline, suggesting their importance to long-term acclimation as they likely equip the fish with lasting adaptations to their new environment. The alterations in branchial functional pathways displayed by Arabian pupfish in response to salinity increases are diverse. These reveal a large toolkit of molecular processes important for adaptation to hyperosmolarity that allow for successful colonization to a wide variety of different habitats.