Rising global demand for seafood and declining catches have resulted in the volume of mariculture doubling each decade, a growth expected by the FAO to persist in the decades to come. This growth should use technologies with economical and environmental sustainability. Feed accounts for about half the cost in current high-volume fed mono-species aquaculture, mainly fish net pens or shrimp/fish ponds, yet most of this feed becomes waste. The resulting environmental impact and rising feed costs therefore hamper further growth of such farms. As in certain traditional polyculture schemes, plants can drastically reduce feed use and environmental impact of industrialized mariculture and at the same time add to its income. These nutrient-assimilating photoautotrophic plants use solar energy to turn nutrient-rich effluents into profitable resources. Plants counteract the environmental effects of the heterotrophic fed fish and shrimp and restore water quality. Today's integrated intensive aquaculture approaches, developed from traditional extensive polyculture, integrate the culture of fish or shrimp with vegetables, microalgae, shellfish and/or seaweeds. Integrated mariculture can take place in coastal waters or in ponds and can be highly intensified. Today's technologies are well studied and documented. They are generic, modular and adaptable for several culture combinations of fish, shrimp, shellfish, abalone, sea urchin and several species of commercially important seaweeds and vegetables. A 1-ha land-based integrated seabream–shellfish–seaweed farm can produce 25 tons of fish, 50 tons of bivalves and 30 tons fresh weight of seaweeds annually. Another farm model can produce in 1 ha 55 tons of seabream or 92 tons of salmon, with 385 or 500 fresh weight of seaweed, respectively, without pollution. Preliminary calculations show a potential for high profitability with large integrated farms. Several freshwater integrated fish–vegetable farms and a couple of modern fish–algae–shellfish/abalone integrated mariculture farms exist today, and several additional farms are planned. Three major international R&D projects promise to soon expand the horizons of the technology further. Therefore, modern integrated systems in general, and seaweed-based systems in particular, are bound to play a major role in the sustainable expansion of world aquaculture.

The rapid development of intensive fed aquaculture (e.g. finfish and shrimp) throughout the world is associated with concerns about the environmental impacts of such often monospecific practices, especially where activities are highly geographically concentrated or located in suboptimal sites whose assimilative capacity is poorly understood and, consequently, prone to being exceeded. One of the main environmental issues is the direct discharge of significant nutrient loads into coastal waters from open‐water systems and with the effluents from land‐based systems. In its search for best management practices, the aquaculture industry should develop innovative and responsible practices that optimize its efficiency and create diversification, while ensuring the remediation of the consequences of its activities to maintain the health of coastal waters. To avoid pronounced shifts in coastal processes, conversion, not dilution, is a common‐sense solution, used for centuries in Asian countries. By integrating fed aquaculture (finfish, shrimp) with inorganic and organic extractive aquaculture (seaweed and shellfish), the wastes of one resource user become a resource (fertilizer or food) for the others. Such a balanced ecosystem approach provides nutrient bioremediation capability, mutual benefits to the cocultured organisms, economic diversification by producing other value‐added marine crops, and increased profitability per cultivation unit for the aquaculture industry. Moreover, as guidelines and regulations on aquaculture effluents are forthcoming in several countries, using appropriately selected seaweeds as renewable biological nutrient scrubbers represents a cost‐effective means for reaching compliance by reducing the internalization of the total environmental costs. By adopting integrated polytrophic practices, the aquaculture industry should find increasing environmental, economic, and social acceptability and become a full and sustainable partner within the development of integrated coastal management frameworks.

Reducing negative environmental impacts from aquaculture activities is a key issue for ensuring long-term sustainability of the industry. This study examines the major findings and methodology aspects from 28 peer-reviewed studies on marine aquaculture systems integrating fed and extractive organisms. All studies include seaweeds as extractive organisms. The main objective was to analyse the degree of relevance these findings have for large-scale implementation of integrated mariculture practices, and to identify necessary research areas for a future research agenda. The following directions for future research were identified: (1) understand in detail the important biological/biochemical processes in closed recirculating and open seaweed culture systems; (2) conduct research into these advanced aquaculture technologies at scales relevant to commercial implementation or suitable for extrapolation; (3) broaden the focus to include factors affecting seaweed growth and uptake capacity; (4) improve experimental design for statistical calculations; (5) attain a detailed understanding of the temporal variability in seaweed-filtered mariculture systems; (6) define numerical design parameters critical for engineers in designing commercial recirculation systems with seaweed filters; (7) study the influences of location-specific parameters, such as latitude, climate and local seaweed strains/species, on seaweed filter performance; (8) include economic components, considering the added value of seaweeds, and feasibility aspects; (9) analyse the role and function of integrated aquaculture practices for improved environmental, economic, and social acceptability within the broader perspective of integrated coastal management initiatives; and (10) develop educational, training and financial incentive approaches to transfer these novel and somewhat complex technologies of integrated mariculture from the scientists to the industry.

Seaweed aquaculture technologies have developed dramatically over the past 70 years mostly in Asia and more recently in Americas and Europe. However, there are still many challenges to overcome with respect to the science and to social acceptability. The challenges include the development of strains with thermo-tolerance, disease resistance, fast growth, high concentration of desired molecules, the reduction of fouling organisms and the development of more robust and cost efficient farm systems that can withstand storm events in offshore environments. It is also important to note that seaweed aquaculture provides ecosystem services, which improve conditions of the coastal waters for the benefit of other living organisms and the environment. The ecosystem services role of seaweed aquaculture and its economic value will also be quantitatively estimated in this review. Key words: ecosystem services; Eucheuma; Gracilaria/Gracilariopsis; Kappaphycus; kelp; Pyropia/Porphyra; Sargassum; seaweed aquaculture

Significance Fossil evidence shows that red algae (Rhodophyta) are one of the most ancient multicellular lineages. Their ecological, evolutionary, and commercial importance notwithstanding, few red algal nuclear genomes have been sequenced. Our analyses of the Porphyra umbilicalis genome provide insights into how this macrophyte thrives in the stressful intertidal zone and into the basis for its nutritional value as human food. Many of the novel traits (e.g., cytoskeletal organization, calcium signaling pathways) we find encoded in the Porphyra genome are extended to other red algal genomes, and our unexpected findings offer a potential explanation for why the red algae are constrained to small stature relative to other multicellular lineages.

ABSTRACT An assessment of genetic diversity of marine populations is critical not only for the understanding and preservation of natural biodiversity but also for its economic potential. As commercial demand rises for marine resources, it is critical to generate baseline information for monitoring wild populations. Furthermore, anthropogenic stressors on the coastal environment, such as warming sea surface temperatures and overharvesting of wild populations, are leading to the destruction of keystone marine species such as kelps. In this study, we conducted a fine-scale genetic analysis using genome-wide high-density markers on Northwest Atlantic sugar kelp species, Saccharina latissima and putative species, Saccharina angustissima . The population structure for a total of 149 samples from the Gulf of Maine (GOM) and Southern New England (SNE) was investigated using AMOVA, Fst, admixture, and PCoA. Genome-wide association analyses were conducted for six morphological traits, and the extended Lewontin and Krakauer (FLK) test was used to detect selection signatures. Our results indicate that the GOM region is moderately more heterogeneous than SNE. While admixture was observed between regions, these results confirm that Cape Cod acts as a biogeographic barrier for sugar kelp gene flow. We detected one significant SNP (P-value=2.03×10 −7 ) associated with stipe length, and 243 SNPs with higher-than-neutral differentiation. The findings of this study provide fundamental knowledge on sugar kelp population genetics for future monitoring, managing and potentially restoring wild populations, as well as assisting in selective breeding to improve desirable traits for cultivation and bioenergy production.

Abstract The domestication process of sugar kelp in the Northeast U.S. was initiated by selective breeding two years ago. In this study, we will demonstrate how obstacles for accelerated genetic gain can be assessed using simulation approaches that inform resource allocation decisions in our research. Thus far, we have used 140 wild sporophytes (SPs) that were sampled from the northern Gulf of Maine (GOM) to southern New England (SNE). From these SPs, we sampled gametophytes (GPs) and made and evaluated over 600 progeny SPs from crosses among the GPs. The biphasic life cycle of kelp gives a great advantage in selective breeding as we can potentially select both on the SPs and GPs. However, several obstacles exist, such as the amount of time it takes to complete a breeding cycle, the number of GPs that can be maintained in the lab, and whether positive selection can be conducted on farm tested SPs. Using the GOM population characteristics for heritability and effective population size, we simulated a founder population of 1000 individuals and evaluated the impact of overcoming these obstacles on genetic gain. Our results showed that key factors to improve current genetic gain rely mainly on our ability to induce reproduction of the best farm-tested SPs, and to accelerate the clonal vegetative growth of released GPs so that enough GP biomass is ready for making crosses by the next growing season. Overcoming these challenges could improve rates of genetic gain more than two-fold. Future research should focus on conditions favorable for inducing spring and early summer reproduction, and increasing the amount of GP tissue available in time to make fall crosses.

Abstract Sugar kelp ( Saccharina latissima ) has a biphasic life cycle, allowing selection on both the diploid sporophytes (SPs) and haploid gametophytes (GPs). We trained a genomic selection (GS) model from farm-tested SP phenotypic data and used a mixed-ploidy additive relationship matrix to predict GP breeding values. Top-ranked GPs were used to make crosses for further farm evaluation. The relationship matrix included 866 individuals: a) founder SPs sampled from the wild; b) progeny GPs from founders; c) Farm-tested SPs crossed from b); and d) progeny GPs from farm-tested SPs. The complete pedigree-based relationship matrix was estimated for all individuals. A subset of founder SPs ( n = 58) and GPs ( n = 276) were genotyped with Diversity Array Technology and whole genome sequencing, respectively. We evaluated GS prediction accuracy via cross validation on farm-tested SPs in two years using a basic GBLUP model. We also estimated the general combining ability (GCA) and specific combining ability (SCA) variances of parental GPs. A total of 11 yield-related and morphology traits were evaluated. The cross validation accuracies for dry weight per meter ( r ranged from 0.16 to 0.35) and wet weight per meter ( r ranged 0.19 to 0.35) were comparable to GS accuracy for yield traits in terrestrial crops. For morphology traits, cross validation accuracy exceeded 0.18 in all scenarios except for blade thickness in the second year. Accuracy in a third validation year for dry weight per meter over a confirmation set of 87 individuals was 0.31.