An Overview of {DNA}-Based Applications for the Assessment of Benthic Macroinvertebrates Biodiversity in Mediterranean Aquatic Ecosystems

none4Abstract: The loss of aquatic biodiversity is increasing at a rapid rate globally. There is a worldwide effort to protect, preserve and restore aquatic ecosystems. For efficient biodiversity monitoring and reliable management tools, comprehensive biodiversity data are required. The abundance and species diversity of benthic macroinvertebrates are commonly used as indicators of the aquatic ecosystem condition. Currently, macroinvertebrate species biodiversity assessment is based on morpho-taxonomy, which could be enhanced by recent advances in DNA-based tools for species identification. In particular, DNA metabarcoding has the potential to identify simultaneously many different taxa in a pool of species and to improve aquatic biomonitoring significantly, especially for indicator species. This review is focused on the current state of DNA-based aquatic biomonitoring using benthic macroinvertebrates in the Mediterranean region.openEftychia Tzafesta; Francesco Zangaro; Valeria Specchia; Maurizio PinnaTzafesta, Eftychia; Zangaro, Francesco; Specchia, Valeria; Pinna, Maurizi

Current limitations and future prospects of detection and biomonitoring of NIS in the Mediterranean Sea through environmental DNA

The biodiversity of the Mediterranean Sea is currently threatened by the introduction of Non-Indigenous Species (NIS). Therefore, monitoring the distribution of NIS is of utmost importance to preserve the ecosystems. A promising approach for the identification of species and the assessment of biodiversity is the use of DNA barcoding, as well as DNA and eDNA metabarcoding. Currently, the main limitation in the use of genomic data for species identification is the incompleteness of the DNA barcode databases. In this research, we assessed the availability of DNA barcodes in the main reference libraries for the most updated inventory of 665 confirmed NIS in the Mediterranean Sea, with a special focus on the cytochrome oxidase I (COI) barcode and primers. The results of this study show that there are no barcodes for 33.18% of the species in question, and that 45.30% of the 382 species with COI barcode, have no primers publicly available. This highlights the importance of directing scientific efforts to fill the barcode gap of specific taxonomic groups in order to help in the effective application of the eDNA technique for investigating the occurrence and the distribution of NIS in the Mediterranean Se

New alien mediterranean biodiversity records (March 2020)

The current article presents 18 new records from seven Mediterranean countries. These records include one rhodophyte, four nudibranchs, two crustaceans, one stingray and 10 bony fishes. They are grouped by country as follows: Lebanon - first record of the Striped bass Morone saxatilis, the stingray Himantura leoparda, the Areolate grouper Epinephelusareolatusand theSpot-fin porcupinefish Diodon hystrix from various parts of the country; Turkey - first record of the invasive red alga Grateloupia turuturufrom the sea of Marmara (region of Bandırma), the sea slug Goniobranchus obsoletus and the crab Arcania brevifrons from the Gulf of Antalya and the cladoceran Pleopis schmackeri from several locations along the Aegean Sea; Cyprus - first record of the alien sea slug Berthellina citrina from the region of Cape Greco and an observation of a butterflyfishHeniochussp. from the north-eastern side of the island; Greece - first record of the alien sea slug Anteaeolidiella lurana from the region of Heraklion in Crete and the record of the Atlantic spadefish Chaetodipterus faber and the Black surgeonfish Acanthurus cfr gahhmfrom Salamina Island; Slovenia - first record of the alien sea slug Thecacera pennigera from Izola; Italy - first record of the hybrid Striped bass (Morone saxatilis × Morone chrysops) from the northern Tyrrhenian Sea and a first record of the goldfish Carassius auratus from the region of Apulia; Libya - first record of the Red Sea goatfish Parupeneus forsskali and the African surgeonfish Acanthurus monroviae, respectively from the eastern (Al-Tamimi area) and the western shore (Al-Khums area).University Research Board of the American University of Beirut. DDF 103367/23927 y AUB 513071TÜBİTAK (Consejo de Investigación Científica y Tecnológica de Turquía) 114Y238Programa de Investigación e innovación de Horizonte 2020 de la Unión Europea. 730984Ministero dell'Istruzione de Italia (MIUR)ImPrEco Project de la Unión Europea. Interreg ADRION Programme 2014–2020 CUP C69H1800025000

Il bivalve più grande del Mediterraneo, Pinna nobilis, nella Laguna di Acquatina: indagini preliminari e prospettive

Visitare la Laguna di Acquatina, localizzata lungo la costa Adriatica del Salento, è un’esperienza sensoriale straordinaria, ricca di emozioni, che permette agli studiosi e a differenti gruppi di stakeholder di conoscere e apprezzare un patrimonio naturale dal valore inestimabile, di percepire i suoni dell’ambiente circostante e di osservare la biodiversità nelle sue molteplici forme. Fra queste, la biodiversità in specie è l’insieme delle specie animali, vegetali e microorganismi che si trovano in un ecosistema, in un habitat o in un’area predefinita. Le liste di specie, o checklist, sono gli strumenti di indagine con cui i ricercatori analizzano le variazioni della biodiversità in specie nel tempo, nello spazio e in relazione a differenti fattori di perturbazione, naturali e antropici, inclusi i cambiamenti climatici. Nella Laguna di Acquatina si può facilmente osservare anche la biodiversità a un livello di organizzazione ecologica superiore, cioè la biodiversità tra gli habitat. Quest’ultima è definita come l’eterogeneità degli habitat presenti in un ecosistema o in un’area predefinita. Ad Acquatina è facile osservare e individuare distintamente l’habitat acquatico, la macchia mediterranea, il cordone dunale, l’antistante spiaggia e il mare. La biodiversità in specie della Laguna di Acquatina è elevata, caratterizzata dalla presenza di tutti i gruppi tassonomici caratteristici degli ecosistemi acquatici di transizione e costieri dell’Ecoregione Mediterranea. Sono anche numerose le specie di interesse prioritario, cioè quelle specie che a seguito di forti minacce di degrado ed estinzione vengono sottoposte a un regime di tutela straordinario da parte delle istituzioni internazionali, europee e nazionali. A causa della presenza di numerose specie e habitat di interesse prioritario, la Laguna di Acquatina è inserita all’interno di un più ampio sito facente parte della Rete NATURA 2000. La Rete NATURA 2000 è stata istituita dall’Unione Europea e ha la finalità di tutelare e conservare le specie e gli habitat di interesse prioritario. L’ultimo censimento ufficiale relativo al 2015 elenca 33 specie di interesse prioritario per il sito NATURA 2000 denominato Aquatina di Frigole (IT9150003). La maggior parte delle specie riportate nel censimento appartengono all’avifauna, ma Pinna nobilis (Linnaeus, 1758) non era presente nel censimento del 2015. A partire dalla seconda metà del 2017, le attività didattiche, anche di rilievo internazionale, e di ricerca scientifica a carattere ecologico si sono rafforzate. La Laguna di Acquatina si è trasformata in un autentico laboratorio su campo, utile anche per azioni di divulgazione scientifica e di promozione degli sport acquatici ecosostenibili. Alla fine del 2017 sono stati rinvenuti i primi esemplari di Pinna nobilis (L.) durante lo svolgimento di un campionamento scientifico. Si tratta di un mollusco bivalve appartenente alla famiglia “Pinnidae”, comunemente chiamato cozza penna, nacchera o stura. Pinna nobilis è una specie endemica del Mar Mediterraneo, in cui è il più grande bivalve raggiungendo dimensioni anche superiori a un metro di lunghezza. È una specie protetta dall’Unione Europea attraverso le Direttive 92/43/CEE e 2006/105/CE. La pesca e la rimozione sono assolutamente vietate, e sono previste ingenti ammende per chi agisce illegalmente. Usualmente Pinna nobilis viene associata ad ambienti marini, essa vive sepolta per circa un terzo della sua lunghezza nel sedimento, tipicamente in fondi mobili, preferenzialmente associata alle praterie di fanerogame marine (Posidonia oceanica, Cymodocea nodosa e Zostera marina), e anche in zone sabbiose prive di vegetazione. Le pareti esterne delle valve vengono colonizzate da numerose specie incrostanti animali e vegetali, ciò contribuisce a incrementare la biodiversità in specie dell’area in cui si trova P. nobilis. Questa specie può anche colonizzare le porzioni più prossimali e protette di lagune e stagni costieri, in cui può costituire popolazioni ad elevata densità. Gli ambienti lagunari costituiscono, infatti, un “cosmo” singolarmente variegato ed attraente, per la complessità dei fattori ed interazioni ecologiche, e per la varietà di condizioni trofiche e climatiche che, nel complesso, favoriscono la colonizzazione di questi ambienti da parte di specie marine e d’acqua dolce, siano esse indigene o aliene. Per le sue caratteristiche ecologiche, Pinna nobilis è una specie utilizzata nel biomonitoraggio degli ecosistemi acquatici costieri, inclusi quelli marini, e come specie target nella Strategia Marina (Direttiva MSFD 2008/56/EC). Per quanto riguarda il suo ruolo ecologico, P. nobilis è una specie “filtratrice”- e fornisce numerosi servizi ecosistemici: filtra dalla colonna d’acqua una grande quantità di materia organica e detriti sospesi contribuendo alla rimozione dei nutrienti e alla trasparenza dell’acqua; ospita altre specie determinando un aumento della biodiversità locale; attira subacquei e snorkeler incentivando le attività ricreative e di educazione ambientale. Essendo una specie commestibile, già gli Egizi, i Romani e alcuni popoli Islamici utilizzavano questa specie per scopi alimentari, tessevano il suo bisso per fare dei pregiati ricami e lavoravano le valve per ottenere preziosi ornamenti per le loro vesti. A scala Mediterranea, le informazioni e la letteratura scientifica più recenti su Pinna nobilis (L.) ci raccontano, invece, di una specie esposta a numerose minacce di degrado, di una progressiva riduzione della densità di popolazione e scomparsa dovute alla pesca illegale, ai cambiamenti climatici, agli ancoraggi delle imbarcazioni da turismo e all’azione di un protozoo parassita, denominato Haplosporidium pinnae, che induce la morte degli organismi. La presenza di Pinna nobilis (L.) nella Laguna di Acquatina, Sito di Interesse Comunitario appartenente alla Rete NATURA 2000, sembra essere in controtendenza rispetto alla situazione attuale della specie. Probabilmente la laguna è utilizzata come nursery o habitat rifugio, avendo le condizioni ecologiche ottimali per la specie (Marrocco et al., 2018). L’indagine preliminare a cui si riferisce la ricerca è stata effettuata in un’area limitata della laguna, in vicinanza della foce, e ha permesso di individuare la presenza di undici individui, orientati verso la direzione Nord-Est. I principali parametri biometrici sono stati rilevati in ciascun individuo secondo il seguente schema. La larghezza massima e minima al fondo erano di 15,16 cm ± 0,726 e di 13,81 cm ± 0,611 rispettivamente, e la lunghezza della valva non coperta dal sedimento era di 16,66 cm ± 0,441. Il campionamento è stato “non distruttivo” e nessun individuo è stato rimosso o manipolato. Sono stati anche registrati i parametri abiotici della colonna d’acqua nella zona in cui P. nobilis è stata rilevata (temperatura 12,69 °C ± 0,207; ossigeno disciolto 7,21 mg*l-1 ± 0,278; salinità 24,77 PSU ± 0,963, pH 7,73 ± 0,084) (Marrocco et al., 2018). Benché si tratti di una indagine preliminare, ipotizziamo che la Laguna di Acquatina rappresenti un ambiente protetto per questa specie; qui potrebbe raggiungere dimensioni numeriche tali da permettere il reclutamento e il trans-planting in altri siti idonei, e quindi agevolarne il ripopolamento e la diffusione. La scoperta, effettuata da un team di ricercatori e studenti italiani e stranieri, provenienti da alcuni Paesi asiatici partecipanti al progetto INTER-ASIA, ha suggerito di approfondire l’attività di ricerca, di comunicazione scientifica e di citizen science nell’ambito del progetto IMPRECO “Common strategies and best practices to IMprove the transnational PRotection of ECOsystem integrity and services” – finanziato nell’ambito del Programma di Cooperazione Territoriale Europea “ADRION Adriatic-Ionian Programme INTERREG V-B Transnational 2014-2020, 1st call”. In particolare la ricerca è finalizzata al monitoraggio della specie su una scala spaziale che coinvolge il Mar Adriatico, Ionio ed Egeo. Infatti grazie alla partnership del progetto IMPRECO, distribuita nell’area di riferimento della Strategia Europea per la Regione Adriatico-Ionica (EUSAIR), sarà possibile avviare lo studio della dinamica di popolazione di Pinna nobilis, delle risposte alle perturbazioni e pressioni antropiche, ed ai parassiti mortali. Un protocollo di monitoraggio congiunto e semplificato (Joint Monitoring Protocol of IMPRECO) permetterà di raccogliere dati utili per la conservazione di Pinna nobilis su una ampia scala spaziale, e di coinvolgere gruppi interessati di stakeholder e cittadini nella raccolta dei dati e nella salvaguardia della specie. Per la sua rilevanza scientifica, la ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista scientifica internazionale Nature Conservation (Marrocco et al., 2018)

The multi-manned joint assembly line balancing and feeding problem

The Joint Assembly Line Balancing and Feeding Problem (JALBFP) assigns a line feeding mode to each component (Assembly Line Feeding Problem) and each task to a workplace of a station (Assembly Line Balancing Problem). Current literature offers numerous optimisation models that solve these problems sequentially. However, only few optimisation models, provide a joint solution. To solve the JALBFP for a multi-manned assembly line, we propose a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model and a heuristic that relies on the Adaptive Large Neighborhood Search (ALNS) framework by considering multiple workplaces per station and three different feeding policies: line stocking, travelling kitting and sequencing. The objective function minimises the cost of the whole assembly system which considers supermarket, transportation, assembly operations, and investment costs. Although the JALBFP requires higher computation times, it leads to a higher total cost reduction compared to the sequential approach. Through a numerical study, we validate the heuristic approach and find that the average deviation to the MILP model is around 1%. We also compare the solution of the JALBFP with that of the sequential approach and find an average total cost reduction of 10.1% and a maximum total cost reduction of 43.8%

First record of the protected species Pinna nobilis (Linnaeus, 1758) in the Aquatina Lagoon (NATURA 2000 site IT9150003, South-East Italian coastline)

Information on the presence of Pinna nobilis (Linnaeus, 1758) in the Mediterranean Sea is largely reported in literature because it is an endemic and, at the same time, endangered species. Besides, this record contributes to enlarge the spatial distribution of this species in the South-East Italian coastline (Adriatic Sea). P. nobilis is a protected species under the EU Habitats Directive (1992). In particular, P. nobilis has been recorded for the first time in the Aquatina Lagoon, a transitional water ecosystem included in the NATURA 2000 site “Aquatina di Frigole” (IT9150003). Therefore, this finding underlines the role of transitional water ecosystems as “nursery habitats” for P. nobilis as well as the relevance of conservation actions introduced by the EU with the NATURA 2000 network for preserving the biodiversity

A scaling down mapping of Pinna nobilis (Linnaeus, 1758) through the combination of scientific literature, NATURA 2000, grey literature and citizen science data

This research investigates the occurrence of Pinna nobilis (Linnaeus, 1758) in the Mediterranean Sea, where it is an endemic and the largest bivalve species. Such a species is protected under the European Council Directive 92/43/EEC since 1992, being exposed to anthropogenic impacts. The distribution of this species has been known, in the past, only from reports in scientific literature. Presently, the concerns, threats and risks for P. nobilis are increasing and a more detailed mapping of the actual distribution from a largest to a local spatial scale is essential for the implementation of monitoring, management and conservation actions. Here we provide a systematic review on the occurrence of P. nobilis, employing and combining different sources of information, such as scientific and grey literature, NATURA 2000 geodata and citizen science records. The methodological approach is a pilot test based on a scaling down of the geographical area of study, from the whole of the Mediterranean Sea to the Italian and Apulian coastline (South-East Italy); accordingly, the above mentioned sources of data have been gradually included. The results show that the combination of multiple sources of information provide a more exact determination of the species distribution at a local scale, identifying sites where in-depth actions are required to ensure the species conservation and restoration. Also, the IUCN has recently underlined that the conservation of P. nobilis has become a difficult challenge, so that each of the spatial scales for the investigation is crucial to enable a better preservation and conservation of the species in the Mediterranean Sea

Exploring the Biodiversity of a European NATURA 2000 Mediterranean Lagoon through eDNA Metabarcoding

Coastal lagoons are considered important habitats both for ecological functions and biodiversity worldwide. Thus, they provide relevant ecosystem services and valuable natural resources. However, coastal lagoons are highly susceptible to anthropogenic pressures that can cause biodiversity losses and require specific biomonitoring programs as well as management measures. In this research, we applied environmental DNA (eDNA) metabarcoding to investigate the biodiversity of a poorly known Mediterranean lagoon included in the European Natura 2000 Network. We used the cytochrome oxidase I (COI) gene marker to capture the entire biodiversity of this highly diversified aquatic coastal environment. With a low sampling effort and rapid laboratory practices, a large amount of valuable biodiversity data was generated and analyzed. Interestingly, this straightforward and broad molecular surveying of biodiversity unveiled a wide variety of taxonomic groups, such as benthic macroinvertebrates, zooplankton, phytoplankton, and macroalgae, which are frequently used as ecological indicators. We were able to detect species that were previously morphologically identified, as well as species never identified before. This research underlines the validity of eDNA metabarcoding in assessing the biodiversity in a poorly known and protected Mediterranean lagoon ecosystem, as well as in identifying the early warnings of environmental stressors. Finally, the research highlights the need to investigate multiple target genes and primers set for a larger analysis of specific species