How populations and species respond to modified environmental conditions is critical to their persistence both now and into the future, particularly given the increasing pace of environmental change. The process of adaptation to novel environmental conditions can occur via two mechanisms: (1) the expression of phenotypic plasticity (the ability of one genotype to express varying phenotypes when exposed to different environmental conditions), and (2) evolution via selection for particular phenotypes, resulting in the modification of genetic variation in the population. Plasticity, because it acts at the level of the individual, is often hailed as a rapid-response mechanism that will enable organisms to adapt and survive in our rapidly changing world. But plasticity can also retard adaptation by shifting the distribution of phenotypes in the population, shielding it from natural selection. In addition to which, not all plastic responses are adaptive-now well-documented in cases of ecological traps. In this theme issue, we aim to present a considered view of plasticity and the role it could play in facilitating or hindering adaption to environmental change. This introduction provides a re-examination of our current understanding of the role of phenotypic plasticity in adaptation and sets the theme issue's contributions in their broader context. Four key themes emerge: the need to measure plasticity across both space and time; the importance of the past in predicting the future; the importance of the link between plasticity and sexual selection; and the need to understand more about the nature of selection on plasticity itself. We conclude by advocating the need for cross-disciplinary collaborations to settle the question of whether plasticity will promote or retard species' rates of adaptation to ever-more stressful environmental conditions. This article is part of the theme issue 'The role of plasticity in phenotypic adaptation to rapid environmental change'.

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 Exploited fish species may have or are experiencing declines in population sizes coupled with a decrease in genetic diversity. This can lead to the loss of adaptive potential to face current and future environmental changes. However, little is known about this subject while research on it is urgently needed. Thus, this study aims to answer a simple, even naive question, given the complexity of the subject: Could we use a simple method to obtain information on the loss of genetic diversity in exploited fish species? We investigated the use of the levels of genetic diversity in the widely used genetic marker Cytochrome C Oxidase subunit I (COI) mitochondrial gene. Estimates of genetic diversity in COI were obtained for populations of seven fish species with different commercial importance from the East China Sea. These estimates were contrasted against a large dataset of fish species distributed worldwide (N=1426), a dataset of East-Asian fish species (N=118), two farmed species with expected low genetic diversity, and four long-term managed species from the Mediterranean Sea. We found that estimates of genetic diversity in COI match the expectations from theoretical predictions, known population declines, and fishing pressures. Thus, the answer to our question is affirmative and we conclude that estimates of genetic diversity in COI provide an effective first diagnostic of the conservation status of exploited fish species. This simple and cost-effective tool can help prioritize research, management, and conservation on species with suspected loss of genetic diversity potentially eroding their adaptive potential to global change.

Abstract Genetic variation is essential for adaptation to rapid environmental changes. Identifying genetic variation associated with climate-change related phenotypes is therefore the necessary first step towards predictive models of genomic vulnerability. Here we used a whole-genome scan to identify candidate genetic variants associated with differences in behavioural resilience to ocean acidification in a coral reef fish. We identified three genomic regions that differ between individuals that are behaviourally tolerant compared with behaviourally sensitive to elevated CO 2 . These include a dopamine receptor ( drd4rs ), cadherin related family member 5-like ( cdhr5l ), Synapse-associated protein 1 ( syap1 ), and GRB2 Associated Regulator of MAPK1 Subtype 2 ( garem2 ), which have previously been found to modify behaviour related to boldness, novelty seeking, and learning in other species, and differ between behaviourally tolerant and sensitive individuals. Consequently, the identified genes are promising candidates in the search of the genetic underpinnings and adaptive potential of behavioural resilience to ocean acidification in fishes.

Abstract Elevated CO 2 levels predicted to occur by the end of the century can affect the physiology and behaviour of marine fishes. For one important survival mechanism, the response to chemical alarm cues from conspecifics, substantial among-individual variation in the extent of behavioural impairment when exposed to elevated CO 2 has been observed in previous studies. Whole brain transcriptomic data has further emphasized the importance of parental phenotypic variation in the response of juvenile fish to elevated CO 2 . In this study, we investigate the genome-wide proteomic responses of this variation in the brain of 5-week old spiny damselfish, Acanthochromis polyacanthus . We compared the expression of proteins in the brains of juvenile A. polyacanthus from two different parental behavioural phenotypes (sensitive and tolerant) that had been experimentally exposed to short-term, long-term and inter-generational elevated CO 2 . Our results show differential expression of key proteins related to stress response and epigenetic markers with elevated CO 2 exposure. Proteins related to neurological development were also differentially expressed particularly in the long-term developmental treatment, which might be critical for juvenile development. By contrast, exposure to elevated CO 2 in the parental generation resulted in only three differentially expressed proteins in the offspring, revealing potential for inter-generational acclimation. Lastly, we found a distinct proteomic pattern in juveniles due to the behavioural sensitivity of parents to elevated CO 2 , even though the behaviour of the juvenile fish was impaired regardless of parental phenotype. Our data shows that developing juveniles are affected in their brain protein expression by elevated CO 2 , but the effect varies with the length of exposure as well as due to variation of parental phenotypes in the population.

While ocean acidification (OA) impacts the behaviour of marine organisms, the complexity of neurosystems makes linking behavioural impairments to environmental change difficult. Using a simple model, we exposed Aplysia to ambient or elevated CO 2 conditions (approx. 1500 µatm) and tested how OA affected the neuromolecular response of the pleural–pedal ganglia and caused tail withdrawal reflex (TWR) impairment. Under OA, Aplysia relax their tails faster with increased sensorin-A expression, an inhibitor of mechanosensory neurons. We further investigate how OA affects habituation training output, which produced a ‘sensitization-like’ behaviour and affected vesicle transport and stress response gene expression, revealing an influence of OA on learning. Finally, gabazine did not restore normal behaviour and elicited little molecular response with OA, instead, vesicular transport and cellular signalling link other neurotransmitter processes with TWR impairment. Our study shows the effects of OA on neurological tissue parts that control for behaviour.

Abstract Climate change stressors are progressively simplifying biogenic habitats in the terrestrial and marine realms, and consequently altering the structure of associated species communities. Here, we used a volcanic CO 2 seep in Papua New Guinea to test in situ if altered reef architecture due to ocean acidification reshuffles associated fish assemblages. We observed replacement of branching corals by massive corals at the seep, with simplified coral architectural complexity driving abundance declines between 60% and 86% for an assemblage of damselfishes associated with branching corals. An experimental test of habitat preference for a focal species indicated that acidification does not directly affect habitat selection behaviour, with changes in habitat structural complexity consequently appearing to be the stronger driver of assemblage reshuffling. Habitat health affected anti‐predator behaviour, with P. moluccensis becoming less bold on dead branching corals relative to live branching corals, irrespective of ocean acidification. We conclude that coral reef fish assemblages are likely to be more sensitive to changes in habitat structure induced by increasing p CO 2 than any direct effects on behaviour, indicating that changes in coral architecture and live cover may act as important mediators of reef fish community structures in a future ocean.

ABSTRACT Dispersal is a main determining factor of population structure and variation. In the marine habitat, well-connected populations with large numbers of reproducing individuals are common but even so population structure can exist on a small-scale. Variation in dispersal between populations or over time is often associated to both environmental and genetic variation. Nonetheless, detecting structure and dispersal variation on a fine-scale within marine populations still remains a challenge. Here we propose and use a novel approach of combining a clustering model, early-life history trait information from fish otoliths, spatial coordinates and genetic markers to detect very fine-scale dispersal patterns. We collected 1573 individuals (946 adults and 627 juveniles) of the black-faced blenny across a small-scale (2km) coastline as well as at a larger-scale area (<50kms). A total of 178 single nucleotide polymorphism markers were used to evaluate relatedness patterns within this well-connected population. Local retention and/or dispersal varied across the 2km coastline with higher frequency of SHORT-range disperser adults; representing local recruitment; towards the southwest of the area. An inverse pattern was found for juveniles, showing an increase of SHORT-range dispersers towards the northeast. This reveals a complex but not full genetic mixing and suggests oceanic/coastal circulation as the main driver of this fine-scale chaotic genetic patchiness within this otherwise homogeneous population. When focusing on the patterns within one recruitment season, we found large differences in temperatures (from approx. 17oC to 25oC) as well as pelagic larval duration (PLD) for juveniles from the beginning of the season and the end of the season. We were able to detect fine-scale differences in HIGH-range juvenile dispersers, representing distant migrants, depending on whether they were born at the beginning of the season, hence, with a longer PLD, or at the end of the reproductive season. The ability to detect such fine-scale dispersal patchiness will aid in our understanding of the underlying mechanisms of population structuring and chaotic patchiness in a wide range of species even with high potential dispersal abilities.

Ocean acidification (OA) has numerous impacts on marine organisms including behaviour. While behaviours are controlled in the neuro system, its complexity makes linking behavioural impairments to environmental change difficult. Here we use a neurological model Aplysia californica with well-studied simple neuro system and behaviours. By exposing Aplysia to current day (~500 micro atm) or near-future CO2 conditions (~1100 micro atm), we test the effect of OA on their tail withdrawal reflex (TWR) and the underlying neuromolecular response of the pleural-pedal ganglia, responsible for the behaviour. Under OA, Aplysia relax tails faster due to increased sensorin-A expression, an inhibitor of mechanosensory neurons. We further investigate how OA affects habituation, which produced a 9sensitization-like9 behaviour and affected vesicle transport and stress response, revealing an influence of OA on neuronal and behavioural outputs associated with learning. Finally, we test whether GABA-mediated neurotransmission is involved in impaired TWR, but exposure to gabazine did not restore normal behaviour and provoked little molecular response, rejecting the involvement in TWR impairment. Instead, vesicular transport and cellular signalling link other neurotransmitter processes directly with TWR impairment. Our study shows effects of OA on neurological tissue parts that control for behaviour revealing the neurological mechanisms when faced with OA.

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.