Degradation of coral reef ecosystems began centuries ago, but there is no global summary of the magnitude of change. We compiled records, extending back thousands of years, of the status and trends of seven major guilds of carnivores, herbivores, and architectural species from 14 regions. Large animals declined before small animals and architectural species, and Atlantic reefs declined before reefs in the Red Sea and Australia, but the trajectories of decline were markedly similar worldwide. All reefs were substantially degraded long before outbreaks of coral disease and bleaching. Regardless of these new threats, reefs will not survive without immediate protection from human exploitation over large spatial scales.

Effective conservation requires rigorous baselines of pristine conditions to assess the impacts of human activities and to evaluate the efficacy of management. Most coral reefs are moderately to severely degraded by local human activities such as fishing and pollution as well as global change, hence it is difficult to separate local from global effects. To this end, we surveyed coral reefs on uninhabited atolls in the northern Line Islands to provide a baseline of reef community structure, and on increasingly populated atolls to document changes associated with human activities. We found that top predators and reef-building organisms dominated unpopulated Kingman and Palmyra, while small planktivorous fishes and fleshy algae dominated the populated atolls of Tabuaeran and Kiritimati. Sharks and other top predators overwhelmed the fish assemblages on Kingman and Palmyra so that the biomass pyramid was inverted (top-heavy). In contrast, the biomass pyramid at Tabuaeran and Kiritimati exhibited the typical bottom-heavy pattern. Reefs without people exhibited less coral disease and greater coral recruitment relative to more inhabited reefs. Thus, protection from overfishing and pollution appears to increase the resilience of reef ecosystems to the effects of global warming.

The stability of ecological communities largely depends on the strength of interactions between predators and their prey. Here we show that these interaction strengths are structured nonrandomly in a large Caribbean marine food web. Specifically, the cooccurrence of strong interactions on two consecutive levels of food chains occurs less frequently than expected by chance. Even when they occur, these strongly interacting chains are accompanied by strong omnivory more often than expected by chance. By using a food web model, we show that these interaction strength combinations reduce the likelihood of trophic cascades after the overfishing of top predators. However, fishing selectively removes predators that are overrepresented in strongly interacting chains. Hence, the potential for strong community-wide effects remains a threat.

An analysis of 24 coral reef viromes challenges the view that lytic phage are believed to predominate when the density of their hosts increase and shows instead that lysogeny is more important at high host densities; the authors also show that this model is consistent with predator–prey dynamics in a range of other ecosystems, such as animal-associated, sediment and soil systems. Microbial viruses can control host abundances via density-dependent lytic predator–prey dynamics. Less clear is how temperate viruses, which coexist and replicate with their host, influence microbial communities. Here we show that virus-like particles are relatively less abundant at high host densities. This suggests suppressed lysis where established models predict lytic dynamics are favoured. Meta-analysis of published viral and microbial densities showed that this trend was widespread in diverse ecosystems ranging from soil to freshwater to human lungs. Experimental manipulations showed viral densities more consistent with temperate than lytic life cycles at increasing microbial abundance. An analysis of 24 coral reef viromes showed a relative increase in the abundance of hallmark genes encoded by temperate viruses with increased microbial abundance. Based on these four lines of evidence, we propose the Piggyback-the-Winner model wherein temperate dynamics become increasingly important in ecosystems with high microbial densities; thus ‘more microbes, fewer viruses’. Lytic phage can control the abundance of their microbial hosts in a density-dependent manner with 'kill-the-winner' predation dynamics. It was widely assumed that lytic phages would dominate in nutrient-rich conditions favouring high host density, and that lysogenic phage, which integrate into their hosts instead of lysing them, tend to dominate when host numbers are low. This meta-analysis of 24 coral reef viromes challenges that view. Ben Knowles et al. find that lysogeny is more important than lysis at high, rather than low host densities. The authors term this the 'Piggyback-the-Winner' model, and show that it is consistent with predator–prey dynamics in a range of other ecosystems, including animal-associated, sediment, and soil systems.

Conservation of U.S. coral reefs has been sidetracked by the partial implementation of management plans without clearly achievable goals. Historical ecology reveals global patterns of coral reef degradation that provide a framework for reversing reef decline with ecologically meaningful metrics for success. The authors of this Policy Forum urge action now to address multiple threats simultaneously, because the harmful effects of stressors like overfishing, pollution, poor land-use practices, and global warming are interdependent. Prompt implementation of proven, practical solutions would lead to both short- and long-term benefits, including the return of keystone species and the economic benefits they entail.

The ocean contains unique biodiversity, provides valuable food resources and is a major sink for anthropogenic carbon. Marine protected areas (MPAs) are an effective tool for restoring ocean biodiversity and ecosystem services1,2, but at present only 2.7% of the ocean is highly protected3. This low level of ocean protection is due largely to conflicts with fisheries and other extractive uses. To address this issue, here we developed a conservation planning framework to prioritize highly protected MPAs in places that would result in multiple benefits today and in the future. We find that a substantial increase in ocean protection could have triple benefits, by protecting biodiversity, boosting the yield of fisheries and securing marine carbon stocks that are at risk from human activities. Our results show that most coastal nations contain priority areas that can contribute substantially to achieving these three objectives of biodiversity protection, food provision and carbon storage. A globally coordinated effort could be nearly twice as efficient as uncoordinated, national-level conservation planning. Our flexible prioritization framework could help to inform both national marine spatial plans4 and global targets for marine conservation, food security and climate action. Using a globally coordinated strategic conservation framework to plan an increase in ocean protection through marine protected areas can yield benefits for biodiversity, food provisioning and carbon storage.

Removal of important predators by fishing can result in trophic cascades and indirect effects on marine benthic communities. Indirect effects are especially evident when prey populations released from predation by fishing have the ability to modify entire benthic communities as do sea urchins Sea urchins have been shown to dramatically alter the underwater landscape by grazing, by converting stands of large erect algae into coralline barrens. In the western Mediterranean, a recent extension of coralline barrens into areas formerly dominated by erect algal assemblages has been attributed to release of predation on sea urchins by overfishing. Most suggestions concerning the transition form erect algeal assemblages to coralline barrens, however, have been speculative, and little descriptive and experimental work has been carried out to verify the hypothesis that fish predation on sea urchins (and its subsequent release by overfishing) drives this transition. Here we critically review the literature concerning the effect of fishing on sea urchin populations and its subsequent maintenance of different algal assemblages in the Mediterranean. The extant data cannot refute the fishes as important predators model. but we argue that other processes trecruitment, pollution, disease, large-scale oceanographic events, sea urchin harvesting, food subsidies, and availability of shelters) may also be important in regulating the structure of Mediterranean algal assemblages.

Microbes are key players in both healthy and degraded coral reefs. A combination of metagenomics, microscopy, culturing, and water chemistry were used to characterize microbial communities on four coral atolls in the Northern Line Islands, central Pacific. Kingman, a small uninhabited atoll which lies most northerly in the chain, had microbial and water chemistry characteristic of an open ocean ecosystem. On this atoll the microbial community was equally divided between autotrophs (mostly Prochlorococcus spp.) and heterotrophs. In contrast, Kiritimati, a large and populated (∼5500 people) atoll, which is most southerly in the chain, had microbial and water chemistry characteristic of a near-shore environment. On Kiritimati, there were 10 times more microbial cells and virus-like particles in the water column and these microbes were dominated by heterotrophs, including a large percentage of potential pathogens. Culturable Vibrios were common only on Kiritimati. The benthic community on Kiritimati had the highest prevalence of coral disease and lowest coral cover. The middle atolls, Palmyra and Tabuaeran, had intermediate densities of microbes and viruses and higher percentages of autotrophic microbes than either Kingman or Kiritimati. The differences in microbial communities across atolls could reflect variation in 1) oceaonographic and/or hydrographic conditions or 2) human impacts associated with land-use and fishing. The fact that historically Kingman and Kiritimati did not differ strongly in their fish or benthic communities (both had large numbers of sharks and high coral cover) suggest an anthropogenic component in the differences in the microbial communities. Kingman is one of the world's most pristine coral reefs, and this dataset should serve as a baseline for future studies of coral reef microbes. Obtaining the microbial data set, from atolls is particularly important given the association of microbes in the ongoing degradation of coral reef ecosystems worldwide.

A pronounced, widespread and persistent regime shift among marine ecosystems is observable on temperate rocky reefs as a result of sea urchin overgrazing. Here, we empirically define regime-shift dynamics for this grazing system which transitions between productive macroalgal beds and impoverished urchin barrens. Catastrophic in nature, urchin overgrazing in a well-studied Australian system demonstrates a discontinuous regime shift, which is of particular management concern as recovery of desirable macroalgal beds requires reducing grazers to well below the initial threshold of overgrazing. Generality of this regime-shift dynamic is explored across 13 rocky reef systems (spanning 11 different regions from both hemispheres) by compiling available survey data (totalling 10 901 quadrats surveyed in situ ) plus experimental regime-shift responses (observed during a total of 57 in situ manipulations). The emergent and globally coherent pattern shows urchin grazing to cause a discontinuous ‘catastrophic’ regime shift, with hysteresis effect of approximately one order of magnitude in urchin biomass between critical thresholds of overgrazing and recovery. Different life-history traits appear to create asymmetry in the pace of overgrazing versus recovery. Once shifted, strong feedback mechanisms provide resilience for each alternative state thus defining the catastrophic nature of this regime shift. Importantly, human-derived stressors can act to erode resilience of desirable macroalgal beds while strengthening resilience of urchin barrens, thus exacerbating the risk, spatial extent and irreversibility of an unwanted regime shift for marine ecosystems.

Mangroves are disappearing rapidly worldwide despite their well documented biodiversity and the ecosystem services they provide. Failure to link ecological processes and their societal benefits has favored highly destructive aquaculture and tourism developments that threaten mangroves and result in costly “externalities.” Specifically, the potentially irreparable damage to fisheries because of mangrove loss has been belittled and is greatly underestimated. Here, we show that, in the Gulf of California, fisheries landings are positively related to the local abundance of mangroves and, in particular, to the productive area in the mangrove–water fringe that is used as nursery and/or feeding grounds by many commercial species. Mangrove-related fish and crab species account for 32% of the small-scale fisheries landings in the region. The annual economic median value of these fisheries is US $37,500 per hectare of mangrove fringe, falling within the higher end of values previously calculated worldwide for all mangrove services together. The ten-year discounted value of one hectare of fringe is >300 times the official cost set by the Mexican government. The destruction of mangroves has a strong economic impact on local fishing communities and on food production in the region. Our valuation of the services provided by mangroves may prove useful in making appropriate decisions for a more efficient and sustainable use of wetlands.