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.

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.

ABSTRACT The diatom, Cyclotella cryptica , is a well-established experimental model for physiological studies and, more recently, biotechnology applications of diatoms. To further facilitate its use as a model diatom species, we report an improved reference genome assembly and annotation for C. cryptica strain CCMP332. We used a combination of long- and short-read sequencing to assemble a high-quality and contaminant-free genome. The genome is 171 Mb in size and consists of 662 scaffolds with a scaffold N50 of 494 kb. This represents a 176-fold decrease in scaffold number and 41-fold increase in scaffold N50 compared to the previous assembly. The genome contains 21,250 predicted genes, 75% of which were assigned putative functions. Repetitive DNA comprises 59% of the genome, and an improved classification of repetitive elements indicated that a historically steady accumulation of transposable elements has contributed to the relatively large size of the C. cryptica genome. The high-quality C. cryptica genome will serve as a valuable reference for ecological, genetic, and biotechnology studies of diatoms. Data available from NCBI BioProjects PRJNA628076 and PRJNA589195