Abstract Tube anemones, or cerianthids, are a phylogenetically informative group of cnidarians with complex life histories, including a pelagic larval stage and tube-dwelling adult stage, both known to utilize venom in stinging-cell rich tentacles. Cnidarians are an entirely venomous group that utilize their proteinaceous-dominated toxins to capture prey and defend against predators, in addition to several other ecological functions, including intraspecific interactions. At present there are no studies describing the venom for any species within cerianthids. Given their unique development, ecology, and distinct phylogenetic-placement within Cnidaria, our objective is to evaluate the venom-like gene diversity of four species of cerianthids from newly collected transcriptomic data. We identified 525 venom-like genes between all four species. The venom-gene profile for each species was dominated by enzymatic protein and peptide families, which is consistent with previous findings in other cnidarian venoms. However, we found few toxins that are typical of sea anemones and corals, and furthermore, three of the four species express toxin-like genes closely related to potent pore-forming toxins in box jellyfish. Our study is the first to provide a survey of the putative venom composition of cerianthids, and contributes to our general understanding of the diversity of cnidarian toxins.

Abstract Venom is a complex trait with substantial inter- and intraspecific variability resulting from strong selective pressures acting on the expression of many toxic proteins. However, understanding the processes underlying the toxin expression dynamics that determine the venom phenotype remains unresolved. Here, we use comparative genomics and transcriptomics to reveal that toxin expression in sea anemones evolves rapidly with little constraint and that a single toxin family dictates the venom phenotype in each species. This dominant toxin family is characterized by massive gene duplication events. In-depth analysis of the sea anemone, Nematostella vectensis , revealed significant variation in the number of copies of the dominant toxin ( Nv1 ) across populations, corresponding to significant differences in Nv1 expression at both the transcript and protein levels. These differences in Nv1 copies are driven by independent expansion events, resulting in distinct haplotypes that have a restricted geographical distribution. Strikingly, one population has undergone a severe contraction event, causing a near-complete loss of Nv1 production. Our findings across micro- and macroevolutionary scales in sea anemones complement observations of single dominant toxin family present in other venomous organisms and establishes the dominant toxin hypothesis whereby venomous animals have convergently evolved a similar strategy in shaping the venom phenotype.

Abstract Cnidarians are critical members of aquatic communities and have been an experimental system for a diversity of research areas ranging from development to biomechanics to global change biology. Yet we still lack a well-resolved, taxonomically balanced, cnidarian tree of life to place this research in appropriate phylogenetic context. To move towards this goal, we combined data from 26 new anthozoan transcriptomes with 86 previously published cnidarian and outgroup datasets to generate two 748-locus alignments containing 123,051 (trimmed) and 449,935 (untrimmed) amino acids. We estimated maximum likelihood phylogenies for both matrices under partitioned and unpartitioned site-homogeneous and site-heterogenous models of substitution. We used the resulting topology to constrain a phylogenetic analysis of 1,814 small subunit ribosomal (18S) gene sequences from GenBank. Our results confirm the position of Ceriantharia (tube-dwelling anemones), a historically recalcitrant group, as sister to the rest of Hexacorallia across all phylogenies regardless of data matrix or model choice. We also find unanimous support for the sister relationship of Endocnidozoa and Medusozoa and propose the name Operculozoa for the clade uniting these taxa. Our 18S hybrid phylogeny provides insight into relationships of 15% of extant taxa. Together these data are an invaluable resource for comparative cnidarian research and provide perspective to guide future refinement of cnidarian systematics.

Abstract The sea anemone Nematostella vectensis (Anthozoa, Cnidaria) is a powerful model system for characterizing the evolution of genes functioning in venom and nervous systems. Despite being an example for evolutionary novelty, the evolutionary origin of most toxins remains unknown. Here we report the first bona fide case of protein recruitment from the cnidarian nervous to venom system. The ShK-like1 peptide has ShKT cysteine motif, is lethal for fish larvae and packaged into nematocysts, the cnidarian venom-producing stinging capsules. Thus, ShK-like1 is a toxic venom component. Its paralog, ShK-like2, is a neuropeptide localized to neurons and is involved in development. Interestingly, both peptides exhibit similarities in their functional activities: both of them provoke contraction in Nematostella polyps and are toxic to fish. Because ShK-like2 but not ShK-like1 is conserved throughout sea anemone phylogeny, we conclude that the two paralogs originated due to a Nematostella -specific duplication of a ShK-like2 ancestor, a neuropeptide-encoding gene, followed by diversification and partial functional specialization. Strikingly, ShK-like2 is represented by two gene isoforms controlled by alternative promoters conferring regulatory flexibility throughout development. Additionally, we characterized the expression patterns of four other peptides with structural similarities to studied venom components, and revealed their unexpected neuronal localization. Thus, we employed genomics, transcriptomics and functional approaches to reveal one new venom component, five neuropeptides with two different cysteine motifs and an evolutionary pathway from nervous to venom system in Cnidaria.

Abstract At the current rate of climate change, it is unlikely that multicellular organisms will be able to adapt to changing environmental conditions through genetic recombination and natural selection alo. Thus, it is critical to understand alternative mechanisms that allow organisms to cope with rapid environmental changes. Here, we used the sea anemone Nematostella vectensis as model to investigate the microbiota as putative source of rapid adaptation. Living in estuarine ecosystems, highly variable aquatic environments, N. vectensis has evolved the capability of surviving in a wide range of temperatures and salinities. In a long-term experiment, we acclimated polyps of Nematostella to low (15°C), medium (20°C) and high (25°C) temperatures, in order to test the impact of microbiota-mediated plasticity on animal acclimation. Using the same animal clonal line, propagated from a single polyp, allowed us to eliminate effects of the host genotype. Interestingly, the higher thermal tolerance of animals acclimated to high temperature, could be transferred to non-acclimated animals through microbiota transplantation. In addition, offspring survival was highest from mothers acclimated to high temperature, indicating the transmission of thermal resistance to the next generation. Microbial community analyses of the F1 generation revealed the transmission of the acclimated microbiota to the next generation. These results indicate that microbiota plasticity can contribute to animal thermal acclimation and its transmission to the next generation may represent a rapid mechanism for thermal adaptation.

Abstract The sorting nexins (SNX), constitute a diverse family of molecules that play varied roles in membrane trafficking, cell signaling, membrane remodeling, organelle motility and autophagy. In particular, the SNX-BAR proteins, a SNX subfamily characterized by a C-terminal dimeric Bin/Amphiphysin/Rvs (BAR) lipid curvature domain and a conserved Phox-homology domain, are of great interest. In budding yeast, many SNX-BARs proteins have well-characterized endo-vacuolar trafficking roles. Phylogenetic analyses allowed us to identify an additional SNX-BAR protein, Vps501, with a novel endo-vacuolar role. We report that Vps501 uniquely localizes to the vacuolar membrane and works with the SEA complex to regulate autophagy. Furthermore, we found cells displayed a severe deficiency in starvation-induced/nonselective autophagy only when SEA complex subunits are ablated in combination with Vps501, indicating a cooperative role with the SEA complex during autophagy. Additionally, we found the SEA complex becomes destabilized in vps501 Δ sea1 Δ cells, which resulted in aberrant TORC1 hyperactivity and misregulation of autophagy induction.

Abstract Most multicellular organisms harbor microbial colonizers that provide various benefits to their hosts. Although these microbial communities may be host species- or even genotype-specific, the associated bacterial communities can respond plastically to environmental changes. In this study, we estimated the relative contribution of environment and host genotype to bacterial community composition in Nematostella vectensis , an estuarine cnidarian. We isolated N. vectensis polyps from five different populations along a north-south gradient on the Atlantic coast of the United States and Canada at three different times of the year. While half of the polyps were immediately analyzed for their bacterial composition by 16S rRNA gene sequencing, the remaining polyps were cultured under laboratory conditions for one month. Bacterial community comparison analyses revealed that laboratory maintenance reduced bacterial diversity by fourfold, but maintained a population-specific bacterial colonization. Interestingly, the differences between bacterial communities correlated strongly with seasonal variations, especially with ambient water temperature. To decipher the contribution of both ambient temperature and host genotype to bacterial colonization, we generated 12 clonal lines from six different populations in order to maintain each genotype at three different temperatures for three months. The bacterial community composition of the same N. vectensis clone differed greatly between the three different temperatures, highlighting the contribution of ambient temperature to bacterial community composition. To a lesser extent, bacterial community composition varied between different genotypes under identical conditions, indicating the influence of host genotype. In addition, we identified a significant genotype x environment interaction determining microbiota plasticity in N. vectensis . From our results we can conclude that N. vectensis -associated bacterial communities respond plastically to changes in ambient temperature, with the association of different bacterial taxa depending in part on the host genotype. Future research will reveal how this genotype-specific microbiota plasticity affects the ability to cope with changing environmental conditions.

Relationships between animals and their associated microbiota is dependent on the evolutionary history of the host and on the environment. The majority of studies tend to focus on one of these factors and rarely consider how both determine the community composition of the associated bacteria. One natural experiment to test how evolutionary history, shared environments, and the interaction between these factors drive community composition is to compare geminate species pairs. Echinoids separated by the Isthmus of Panama are suitable for this comparison due to the known evolutionary history and differences in oceanographic characteristics of the Caribbean Sea and Pacific Ocean. By comparing the egg-associated microbiota for the Echinometra and Diadema geminate species pairs, we show that both pairs of geminate species associate with distinct bacterial communities in patterns consistent with phylosymbiosis, and that the interaction between the evolutionary history of the host and the environment best explain differences in these communities. Moreover, we find that particular microbial taxa differed considerably between, but not within, oceans and that the microbiota of the two Caribbean Echinometra species were dominated by the phototrophic Oxyphotobacteria.

The feeding environment for planktotrophic larvae has a major impact on development and progression towards competency for metamorphosis. High phytoplankton environments that promote growth often have a greater microbial load and incidence of pathogenic microbes, while areas with lower food availability have a lower number of potential pathogens. Trade-offs between metabolic processes associated with growth and immune functionality have been described throughout the animal kingdom and may influence the life-history evolution of marine invertebrate planktotrophic larvae in these environments. Namely, to avoid potential incidences of microbial-mediated mortality and/or dysbiosis, larvae should regulate time spent between these two feeding environments. We describe here transcriptomic and microbiome data that supports this trade-off in larvae, where larvae in a well-fed environment upregulate genes associated with metabolism and may regularly enter a state of dysbiosis, resulting in mortality. To address the hypothesis that the environmental microbiota is a selective force on if, where, and when planktotrophic larvae should feed, we present a strategy for determining the specific interactions of larvae and microbes at a scale representative of their larger pelagic environment.

ABSTRACT Development of some animals is influenced by and, in some cases, dependent on the associated microbiota. The timing of when associated bacterial communities are established during the development of marine invertebrates and their subsequent dynamics across stages are known for only a few species. Here, we compare the bacterial communities of three confamilial echinoids from egg to juvenile using sequence-based approaches. Bacterial communities are established on unfertilized eggs and change gradually during embryonic and larval development. Despite the differences amongst these pre-metamorphic stages, approximately thirty-percent of OTUs identified in association with unfertilized egg were present in the juveniles. During embryonic development, host-associated communities diverged from the environmental microbiota but later converged following the onset of larval feeding. Taken together, the data presented here support the hypothesis that bacterial communities are established prior to fertilization and community composition shifts gradually thereafter, all while remaining distinct from the environment. Future work will need to determine the relative influence of the host and bacteria-bacteria interactions in shaping the associated bacterial community to determine the potential functional importance of bacteria during the development of larval sea urchins and benthic marine invertebrates more broadly.