Abstract Deep-sea hydrothermal-vent systems are under investigation for base and precious metal exploitations. The impact of mining will depend critically on the ability of larval dispersal to connect and replenish endemic populations. However, assessing connectivity is extremely challenging, especially in the deep sea. Here, we investigate the potential of elemental fingerprinting of mollusc larval shells to discriminate larval origins between multiple hydrothermal sites in the Southwest Pacific Ocean. The gastropod Shinkailepas tollmanni represents a suitable candidate as it uses capsules to hold larvae before dispersal, which facilitates sampling and ensures mineralization occurs on the site of origin. Multielemental microchemistry was performed using cutting-edge femtosecond laser ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry analysis to obtain individual measurements on 600 encapsulated larval shells. We used classification methods to discriminate the origin of individuals from 14 hydrothermal sites spanning over 3,500 km, with an overall success rate of 70%. When considering less sites within more restricted areas, reflecting dispersal distances reported by genetic and modelling approaches, the success rate increased up to 86%. We conclude that individual larval shells register site-specific elemental signatures that can be used to assess their origin. These results open new perspectives to get direct estimates on population connectivity from the geochemistry of pre-dispersal shell of recently settled juveniles.

Brown algae are multicellular photosynthetic stramenopiles that colonize marine rocky shores worldwide. Ectocarpus sp. Ec32 has been established as a genomic model for brown algae. Here we present the genome and metabolic network of the closely related species, Ectocarpus subulatus Kützing, which is characterized by high abiotic stress tolerance. Since their separation, both strains show new traces of viral sequences and the activity of large retrotransposons, which may also be related to the expansion of a family of chlorophyll-binding proteins. Further features suspected to contribute to stress tolerance include an expanded family of heat shock proteins, the reduction of genes involved in the production of halogenated defence compounds, and the presence of fewer cell wall polysaccharide-modifying enzymes. Overall, E. subulatus has mainly lost members of gene families down-regulated in low salinities, and conserved those that were up-regulated in the same condition. However, 96% of genes that differed between the two examined Ectocarpus species, as well as all genes under positive selection, were found to encode proteins of unknown function. This underlines the uniqueness of brown algal stress tolerance mechanisms as well as the significance of establishing E. subulatus as a comparative model for future functional studies.

Abstract The polychaete Alvinella pompejana lives exclusively on the walls of deep-sea hydrothermal chimneys along the East Pacific Rise and, display specific adaptations to withstand high temperature and hypoxia associated with this highly variable habitat. Previous studies revealed the existence of a balanced polymorphism on the enzyme phosphoglucomutase associated with thermal variations where allozymes 90 and 100 exhibited different optimal activities and thermostabilities. The exploration of the mutational landscape of the phosphoglucomutase1 revealed the maintenance of four highly divergent allelic lineages encoding the three most frequent electromorphs over the worm’s geographic range. This polymorphism is only governed by two linked amino-acid replacements located in exon 3 (E155Q and E190Q). A two-niches model of selection with ‘cold’ and ‘hot’ conditions represents the most likely way for the long-term persistence of these isoforms. Using directed mutagenesis, overexpression of the three recombinant variants allowed us to test the additive effect of these two mutations on the biochemical properties of this enzyme. Results are coherent with those previously obtained from native proteins and reveal a thermodynamic trade-off between the protein thermostability and catalysis, which is likely to have maintained these functional phenotypes prior to the geographic separation of populations across the Equator, about 1.2 Mya.

Abstract How the interplay of biotic and abiotic factors shapes current genetic diversity at the community level remains an open question, particularly in the deep sea. Comparative phylogeography of multiple species can reveal the influence of past climatic events, geographic barriers, and species life history traits on spatial patterns of genetic structure across lineages. Here, we conducted a comparative population genomic study on seven hydrothermal vent species co-distributed in the Back-arc Basins of the Southwest Pacific region. Using ddRAD-seq, we compared distribution range-wide genomic diversity patterns across species and discovered a shared zone of phylogeographic break. Although species exhibit congruent patterns of spatial structure, they also show variation in the degree of divergence among lineages across the suture zone. Additionally, two species have a sympatric contact zone in the Woodlark Basin. Demogenetic inference revealed shared histories of lineage divergence and secondary contact. Low levels of asymmetric gene flow probably occurred in most species between the Woodlark and North Fiji basins, but the exact location of contact zones varied from species to species. Results show that gene flow is heterogeneous across the genome, indicating possible partial reproductive isolation between lineages and early speciation. Our comparative study sheds light on the factors that shape genetic variation at the community level, and our findings enrich our understanding of deep-sea biogeography patterns. Emphasizing the pivotal role of historical and contemporary factors, our research underscores the necessity for a holistic approach, and in particular filling in the gaps regarding life history traits of deep-sea species (generation time, development type, duration of the larval phase).

Abstract The types of genomic change needed for environmental adaptation are of great interest. Annelid worms are a large phylum found in a rich diversity of habitats, giving opportunities to explore this issue. We report the chromosome level genome sequence of the Pompeii worm, the annelid Alvinella pompejana , an inhabitant of an extreme deep-sea hydrothermal vent environment. We find strong but heterogeneously distributed genetic divergence between populations taken from either side of the equator. Using transcript data, we produced a set of gene models and analysed the predicted protein set in the light of past hypotheses about the thermotolerance of Alvinella , and compared it to other recently sequenced annelid vent worms. We do not find evidence of a more extreme genome wide amino acid composition than other species, neither do we find evidence for rapid genome evolution in the form of disrupted synteny. We discount the hypothesis of loss of amino acid biosynthesis genes associated with obligate symbioses reported in siboglinid annelids. We do find evidence of a parallel increase in the number of globin encoding genes and loss of light sensitive opsins and cryptochromes. Alvinella encodes several respiratory enzymes unusual for bilaterian animals, suggesting an ability to better tolerate hypoxic environments.

Abstract Background The transient and fragmented nature of the deep-sea hydrothermal environment made of ridge subduction, plate collision and the emergence of new rifts is currently acting to the separation of vent populations, local adaptation and is likely to promote bursts of speciation and species specialization. The tube-dwelling worms Alvinella pompejana called the Pompeii worm and its sister species A. caudata live syntopically on the hottest part of deep-sea hydrothermal chimneys along the East Pacific Rise. They are exposed to extreme thermal and chemical gradients, which vary greatly in space and time, and thus represent ideal candidates for understanding the evolutionary mechanisms at play in the vent fauna evolution. Results In the present study, we explored genomic patterns of divergence in the early and late steps of speciation of these emblematic worms using transcriptome assemblies and the first draft genome to better understand the relative role of geographic isolation and habitat preference in their genome evolution. Analyses were conducted on allopatric populations of Alvinella pompejana (early stage of separation) and between A. pompejana and its syntopic species Alvinella caudata (late stage of speciation). We first identified divergent genomic regions and targets of selection as well as their position in the genome over collections of orthologous genes and, then, described the speciation dynamics by documenting the annotation of the most divergent and/or positively selected genes involved in the isolation process. Gene mapping clearly indicated that divergent genes associated with the early stage of speciation, although accounting for nearly 30% of genes, are highly scattered in the genome without any island of divergence and not involved in gamete recognition or mito-nuclear incompatibilities. By contrast, genomes of A. pompejana and A. caudata are clearly separated with nearly all genes (96%) exhibiting high divergence. This congealing effect however seems to be linked to habitat specialization and still allows positive selection on genes involved in gamete recognition, as a possible long-duration process of species reinforcement. Conclusion Our analyses pointed out the non-negligible role of natural selection on both the early and late stages of speciation in the emblematic thermophilic worms living on the walls of deep-sea hydrothermal chimneys. They shed ligth on the evolution of gene divergence during the process of speciation and species specialization over a very long period of time.

A bstract The Alvinellidae are a family of worms that are endemic to deep-sea hydrothermal vents in the Pacific and Indian Oceans. These annelid worms, a sister group to the Ampharetidae, occupy a wide range of thermal habitats. The family includes the most thermotolerant marine animals described to date such as the Pompeii worm Alvinella pompejana , and other species living at much lower temperatures such as Paralvinella grasslei or Paralvinella pandorae . The phylogeny of this family has not been studied extensively. It is, however, a complex case where molecular phylogenies give conflicting results, especially concerning the monophyletic or polyphyletic character of the genus Paralvinella . We carried out a comprehensive study of the phylogeny of this family using the best molecular data currently available from RNAseq datasets. The study is based on the assembly of several hundred transcripts for 11 of the 14 species currently described or in description. The results obtained by the most popular phylogenetic inference models (gene concatenation with maximum likelihood, or coalescent-based methods from gene trees) are compared using a series of ampharetid and terebellid outgroups. Our study shows that a high number of gene trees support the hypothesis of the monophyly of the Paralvinella genus, as initially proposed by Desbruyères and Laubier, in which the species Paralvinella pandorae and Paralvinella unidentata are more closely related within the subgenus Nautalvinella . However, the global phylogenetic signal favors the hypothesis of paraphyly for this genus, with P. pandorae being sister species of the other Alvinellidae. Gene trees separated equally between these two hypotheses, making it difficult to draw conclusionsabout the initial split of the MCRA as different genomic regions seem to have very different phylogenetic stories. According to molecular dating, the radiation of the Alvinellidae was rapid and took place in a short period of time between 70 and 80 million years ago. This is reflected at the genomic scale by high rates of incomplete lineage sorting between the first ancestral lineages with probable gene transfers between the ancestors of Alvinella, Nautalvinella , and the rest of the Paralvinella lineages.

Abstract Molluscs have a wide variety of sexual systems and have undergone many transitions from separate sexes to hermaphroditism or vice versa, which is of interest for studying the evolution of sex determination and differentiation. Following the serendipitous observation that sex was the primary driver of genetic structure in the hydrothermal vent gastropod Alviniconcha boucheti , we investigated sexual systems and sex determination in this species and two others of the same genus. We combined genome-wide multi-locus genotypes obtained from RAD sequencing with anatomical observations of the gonads of the three Alviniconcha species occurring in the southwest Pacific Ocean: A. boucheti ( n =207), A. strummeri ( n =41 ind.) and A. kojimai ( n =251). In two of the species ( A. boucheti and A. strummeri ), the sexes are separate and genetically determined by a male-heterogametic (XY) system. External observation of the gonads in the third species ( A. kojimai ) also suggested that the sexes were separate, but histological analyses revealed that 76% of the individuals classified as females from external observation of the gonads presented a mosaic of male and female reproductive tissue. Empirical analyses and simulations showed nonetheless that 14 RAD loci were sex-linked with an XY signature in A. kojimai (as compared with 64 in A. strummeri and 373 in A. boucheti ). Comparison across species and mapping of RAD loci to a non-contiguous reference genome assembly of the related species A. marisindica showed that all sex-linked loci identified in A. kojimai are located on five scaffolds that also contain 25 and 73 sex-linked RAD loci in the other two species, respectively. These results suggest that all three Alviniconcha species share the same XY sex determination system, but that the gonad of XX A. kojimai individuals are invaded by a variable proportion of male reproductive tissue. It remains to be seen whether the male tissue in these intersex individuals is functional or not. This situation of three species showing variation in gonadal development around a probably common sex determination system provides new insights into the reproductive mode of poorly known deep-sea species and questions the evolution of gametogenetic polymorphism in these species.