Abstract The increasing urbanization process is hypothesized to drastically alter (semi‐)natural environments with a concomitant major decline in species abundance and diversity. Yet, studies on this effect of urbanization, and the spatial scale at which it acts, are at present inconclusive due to the large heterogeneity in taxonomic groups and spatial scales at which this relationship has been investigated among studies. Comprehensive studies analysing this relationship across multiple animal groups and at multiple spatial scales are rare, hampering the assessment of how biodiversity generally responds to urbanization. We studied aquatic (cladocerans), limno‐terrestrial (bdelloid rotifers) and terrestrial (butterflies, ground beetles, ground‐ and web spiders, macro‐moths, orthopterans and snails) invertebrate groups using a hierarchical spatial design, wherein three local‐scale (200 m × 200 m) urbanization levels were repeatedly sampled across three landscape‐scale (3 km × 3 km) urbanization levels. We tested for local and landscape urbanization effects on abundance and species richness of each group, whereby total richness was partitioned into the average richness of local communities and the richness due to variation among local communities. Abundances of the terrestrial active dispersers declined in response to local urbanization, with reductions up to 85% for butterflies, while passive dispersers did not show any clear trend. Species richness also declined with increasing levels of urbanization, but responses were highly heterogeneous among the different groups with respect to the richness component and the spatial scale at which urbanization impacts richness. Depending on the group, species richness declined due to biotic homogenization and/or local species loss. This resulted in an overall decrease in total richness across groups in urban areas. These results provide strong support to the general negative impact of urbanization on abundance and species richness within habitat patches and highlight the importance of considering multiple spatial scales and taxa to assess the impacts of urbanization on biodiversity.

ABSTRACT Despite the obstacles facing marine colonists, most lineages of aquatic organisms have colonized and diversified in freshwaters repeatedly. These transitions can trigger rapid morphological or physiological change and, on longer timescales, lead to increased rates of speciation and extinction. Diatoms are a lineage of ancestrally marine microalgae that have diversified throughout freshwater habitats worldwide. We generated a phylogenomic dataset of genomes and transcriptomes for 59 diatom taxa to resolve freshwater transitions in one lineage, the Thalassiosirales. Although most parts of the species tree were consistently resolved with strong support, we had difficulties resolving a Paleocene radiation, which affected the placement of one freshwater lineage. This and other parts of the tree were characterized by high levels of gene tree discordance caused by incomplete lineage sorting and low phylogenetic signal. Despite differences in species trees inferred from concatenation versus summary methods and codons versus amino acids, traditional methods of ancestral state reconstruction supported six transitions into freshwaters, two of which led to subsequent species diversification. Evidence from gene trees, protein alignments, and diatom life history together suggest that habitat transitions were largely the product of homoplasy rather than hemiplasy, a condition where transitions occur on branches in gene trees not shared with the species tree. Nevertheless, we identified a small set of putatively hemiplasious genes, many of which have been associated with shifts to low salinity, indicating that hemiplasy played a small but potentially important role in freshwater adaptation. Accounting for differences in evolutionary outcomes, in which some taxa became locked into freshwaters while others were able to return to the ocean or become salinity generalists, might help further distinguish different sources of adaptive mutation in freshwater diatoms.

Abstract The salinity gradient separating marine and freshwater environments represents a major ecological divide for microbiota, yet the mechanisms by which marine microbes have adapted to and ultimately diversified in freshwater environments are poorly understood. Here, we take advantage of a natural evolutionary experiment: the colonization of the brackish Baltic Sea by the ancestrally marine diatom Skeletonema marinoi . To understand how diatoms respond to low salinity, we characterized transcriptomic responses of S. marinoi grown in a common garden. Our experiment included eight genotypes from source populations spanning the Baltic Sea salinity cline. Changes in gene expression revealed a shared response to salinity across genotypes, where low salinities induced profound changes in cellular metabolism, including upregulation of carbon fixation and storage compound biosynthesis, and increased nutrient demand and oxidative stress. Nevertheless, the genotype effect overshadowed the salinity effect, as genotypes differed significantly in their response, both in the magnitude and direction of gene expression. Intraspecific differences included regulation of transcription and translation, nitrogen metabolism, cell signaling, and aerobic respiration. The high degree of intraspecific variation in gene expression observed here highlights an important but often overlooked source of biological variation associated with how diatoms respond and adapt to environmental change.

The salinity gradient separating marine and freshwater environments is a major ecological divide, and the mechanisms by which most organisms adapt to new salinity environments are poorly understood. Diatoms are a lineage of ancestrally marine microalgae that have repeatedly colonized and diversified in freshwaters. Cyclotella cryptica is a euryhaline diatom that naturally tolerates a broad range of salinities, thus providing a powerful system for understanding the genomic mechanisms for mitigating and acclimating to low salinity. To understand how diatoms mitigate acute hypoosmotic stress, we abruptly shifted C. cryptica from seawater to freshwater and performed transcriptional profiling during the first 10 hours. Freshwater shock dramatically remodeled the transcriptome, with ~50% of the genome differentially expressed in at least one time point. The peak response occurred within 1 hour, with strong repression of genes involved in cell growth and osmolyte production, and strong induction of specific stress defense genes. Transcripts largely returned to baseline levels within 4–10 hours, with growth resuming shortly thereafter, suggesting that gene expression dynamics may be useful for predicting acclimation. Moreover, comparison to a transcriptomics study of C. cryptica following months-long acclimation to freshwater revealed little overlap between the genes and processes differentially expressed in cells exposed to acute stress versus fully acclimated conditions. Altogether, this study highlights the power of time-resolved transcriptomics to reveal fundamental insights into how cells dynamically respond to an acute environmental shift and provides new insights into how diatoms mitigate natural salinity fluctuations and have successfully diversified across freshwater habitats worldwide.

Marine phytoplankton play essential roles in global primary production and biogeochemical cycles. Yet, the evolutionary genetic underpinnings of phytoplankton adaptation to complex marine and coastal environments, where many environmental variables fluctuate and interact, remain unclear. We combined population genomics data with experimental transcriptomics to investigate the genomic basis underlying a natural evolutionary experiment that has played out over the past 8,000 years in one of the world9s largest brackish water bodies: the colonization of the Baltic Sea by the marine diatom Skeletonema marinoi. To this end, we used a novel approach for protist population genomics, combining target capture of the entire nuclear genome with pooled sequencing, and showed that the method performs well on both cultures and single cells. Genotype-environment association analyses identified >3,000 genes with signals of selection in response to major environmental gradients in the Baltic Sea, which apart from salinity, include marked differences in temperature and nutrient availability. Locally adapted genes were related to diverse metabolic processes, including signal transduction, cell cycle, DNA methylation, and maintenance of homeostasis. The locally adapted genes showed significant overlap with salinity-responsive genes identified in a laboratory common garden experiment, suggesting the Baltic salinity gradient is a major factor driving local adaptation of S. marinoi. Altogether, our data show that local adaptation of phytoplankton to complex coastal environments, which are characterized by a multitude of environmental gradients, is driven by intricate changes in diverse metabolic pathways and functions.

ABSTRACT Environmental transitions, such as the salinity divide separating marine and fresh waters, shape biodiversity over both shallow and deep timescales, opening up new niches and creating opportunities for accelerated speciation and adaptive radiation. Understanding the evolutionary genetic underpinnings behind habitat transitions is therefore a central question in evolutionary biology. We used time-resolved transcriptomics to contrast the hyposalinity stress responses of two ecologically important diatoms: Skeletonema marinoi has a deep marine ancestry but recently invaded brackish waters, whereas Cyclotella cryptica has deep freshwater ancestry and can withstand a much broader salinity range. S. marinoi is less adept at mitigating even mild salinity stress compared to C. cryptica , which has distinct mechanisms for rapid mitigation of hyposaline stress and long-term growth in low salinity. We show that the cellular mechanisms underlying low salinity tolerance, which has allowed diversification across freshwater habitats worldwide, includes elements that are both conserved and variable across the diatom lineage. The balance between ancestral and lineage-specific environmental responses in phytoplankton have likely shaped marine–freshwater transitions on evolutionary timescales and, on contemporary timescales, will likely determine which lineages survive and adapt to changing ocean conditions.