Biodiversity of algal communities associated with Mediterranean canopy forming brown seaweeds: implications for conservation and restoration.

Mediterranean macroalgal forests, dominated by canopy-forming species of the Cystoseira sensu lato complex, represent key coastal ecosystems that support high biodiversity and provide essential ecological functions. However, these habitats are undergoing widespread decline, with profound consequences on associated assemblages and ecosystems functioning. Epiphytic assemblages, characterized by rapid turnover rates and a close ecological relationship with their basiphytes, provide valuable insights into forest health. This Ph.D. thesis provides an integrated and multiscale assessment of the structure, diversity, and functioning of Mediterranean macroalgal forests, with focus on epiphytic and associated photosynthetic communities as potential indicators of environmental change. By investigating epiphytic vegetation across different spatial and temporal scales, the thesis establishes an information baseline for interpreting past and future changes in macroalgal forests and their surrounding environments. Variations in the abundance and composition of marine vegetation, from cyanobacteria and microalgae to macroalgae, can trigger cascading effects across multiple trophic levels, with important ecological and socio-economic implications. In this context, the knowledge generated contributes to conservation and restoration strategies, especially within long-term monitoring frameworks aimed at evaluating the full recovery of ecosystem structure and functioning. The first chapter investigates the macro- and micro-epiphytic diversity associated with Gongolaria barbata along the Central Adriatic coast (Conero Riviera, Italy). Microalgal assemblages were dominated by pennate diatoms, a pattern typical of temperate coastal environments, and were largely composed of widespread, generalist taxa. Despite this, local assemblages hosted a relatively stable core community over time, suggesting consistent host-epiphyte association. Nutrient availability emerged as the primary driver shaping microalgal abundance and composition. At macroepiphytic level, filamentous taxa consistently dominated G. barbata canopies. The comparison of the recorded community with similar studies revealed a marked biogeographical variability in epiphytic species composition. Through detailed taxonomic analyses, this study documents a rich and previously underexplored epiphytic flora, reinforcing the role of Cystoseira s.l. species as major biodiversity repositories while revealing significant knowledge gaps, particularly regarding microalgal epiphytes. The second chapter focuses on macroepiphytic assemblages associated with three canopy-forming species, G. barbata, Ericaria amentacea, and E. mediterranea, analysed at a broad Mediterranean spatial scale and over a three-year period along the Central Adriatic coast. Clear differences emerged among host species, with G. barbata hosting rich and abundant epiphytic communities characterized by geographical structuring at both regional and site scale. Conversely, Ericaria spp.- associated communities were species-poor and exhibited limited abundances, with biogeographical patterns detectable only at the site scale. Local drivers, especially hydrodynamic conditions, appear to play a key role in shaping epiphytic richness and abundance, although their effects are strongly site-specific and mediated by interactions with other abiotic and biotic factors. Temporal analyses revealed that local decline of G. barbata populations, characterized by reduction in branch size and structural complexity, was mirrored by a marked interannual decrease in epiphytic diversity and abundance. Such decline appeared to be linked with extreme temperature fluctuations, increased grazing activity, and site-specific hydrodynamic regimes, with wave-exposed sites experiencing more pronounced losses compared to sheltered inlets. Overall, these findings highlight the importance of integrating associated vegetation into monitoring, conservation, and restoration strategies for Mediterranean macroalgal forests, while carefully accounting for spatial scale. The third chapter adopts a molecular approach to characterize photosynthetic communities associated with Cystoseira s.l. forests, focusing on G. barbata along the Central Adriatic coast. By combining DNA barcoding and environmental DNA (eDNA) metabarcoding targeting the plastid 23S rRNA gene, this study overcomes key limitations of traditional morphological identification. It demonstrates the effectiveness of molecular tools for assessing multitaxon biodiversity in a rapid and non-invasive framework. Within this context, the 23S rRNA marker proved particularly effective in selectively targeting photosynthetic organisms. DNA barcoding allowed the detection of cryptic macroalgal taxa revealing components of biodiversity that would otherwise remain overlooked. At the same time, this barcoding effort substantially enriched the 23S rRNA reference database with locally generated macroalgal sequences, markedly improving the taxonomic resolution of metabarcoding analyses and partially overcoming the limitations imposed by incomplete public databases. In this respect, classical barcoding and eDNA metabarcoding functioned synergistically. Metabarcoding analyses, carried out over a two-years period, captured both temporal and spatial variability in photosynthetic assemblages from seawater samples. Significant temporal differences in richness and composition of amplicon sequence variants (ASVs) were detected, together with spatial patterns likely driven by both contrasting hydrodynamic regimes and intrinsic spatial heterogeneity among sites. Temporal variability may reflect changes in eDNA persistence associated with regulating abiotic and biotic factors as well as the observed decline of G. barbata canopies and their associated macroalgal communities, with cascading effects on microalgae and cyanobacteria. Overall, these findings demonstrate the potential of the 23S marker as a powerful tool for assessing marine photosynthetic biodiversity and underscore the importance of integrating molecular approaches into ecological monitoring of Mediterranean macroalgal forests. The fourth chapter focuses on a population of the invasive canopy-forming alga Sargassum muticum established in the port of Ancona as a case study to investigate its phenology and associated macroalgal communities, in comparison with native G. barbata populations. This approach aimed at assessing the potential ecological consequences of the replacement of already declining native forests. In the study area, S. muticum exhibited several phenological and structural similarities with G. barbata, including overlapping life cycles, habitat preferences, and comparable canopy morphology, resulting in a largely overlapping ecological niche. Epiphytic communities associated with S. muticum were comparable to those on G. barbata in terms of richness and abundance, although species composition differed between the two hosts. At the same time, S. muticum displays competitive advantages over local G. barbata forests, potentially exacerbating the decline of native populations and altering associated communities. In the port environment, characterized by intense anthropogenic pressure and absence of other large macrophytes, S. muticum acted as an ecological facilitator rather than a competitor, enhancing habitat complexity and supporting macroalgal biodiversity. These findings emphasize the context-dependent role of invasive canopy forming species. Understanding the interactions between native communities and invasive species is crucial for restoration efforts, as biological invasions represent an increasingly frequent threat that must be accounted for in all management scenarios. Overall, by integrating ecological surveys, large-scale comparative analysis, and molecular approaches across native and non-indigenous species, this thesis provides a comprehensive assessment of Mediterranean macroalgal forests and their associated vegetation. The results highlight that epiphytic communities play a central role in maintaining coastal biodiversity and in mediating the structure, functioning, and resilience of macroalgal habitats, responding rapidly to environmental degradation through shifts in abundance and composition. Regional and site-specific differences in the richness, abundance and composition of epiphytic assemblages indicate that the ecological consequences of macroalgal forests decline are likely to vary widely across the Mediterranean Sea. As biodiversity differs among regions, associated vegetation cannot be standardized as a single ecological indicator, even within the same biogeographical area. Conservation and restoration strategies should therefore incorporate regional and population-level variability. Frequent and detailed monitoring of phytobenthic assemblages is essential to establish site-specific reference conditions and detect ecosystem shifts, particularly given the fragmented and often genetically disconnected nature of Cystoseira s.l. populations, which should be treated as independent management units.

Le foreste macroalgali mediterranee, dominate da specie appartenenti al complesso della Cystoseira sensu lato, costituiscono ecosistemi costieri di fondamentale importanza, in quanto forniscono servizi ecosistemici essenziali e ospitano elevati livelli di biodiversità. Tuttavia, questi habitat stanno attualmente subendo un declino diffuso su scala geografica, con profonde ripercussioni sulle comunità associate e sul funzionamento degli ecosistemi stessi. In questo contesto, le comunità epifite, caratterizzate da rapidi tempi di turnover e da uno stretto legame con le macroalghe ospiti, possono costituire un valido strumento di indicazione dello stato di salute delle foreste macroalgali. Questa tesi di dottorato presenta uno studio della struttura, della diversità e del funzionamento delle foreste macroalgali mediterranee mediante approcci integrati e multiscala, con particolare attenzione allo studio delle comunità epifitiche associate quali potenziali indicatori di variazioni nelle condizioni ambientali. Attraverso l’analisi della vegetazione epifita condotta su diverse scale spaziali e temporali, il lavoro fornisce una base di riferimento per l’interpretazione dei cambiamenti passati e futuri nella struttura delle foreste e delle comunità associate. Le variazioni nella diversità, nell’abbondanza e nella composizione specifica della vegetazione bentonica, dai cianobatteri e microalghe alle macroalghe, possono influenzare i livelli trofici superiori, con rilevanti implicazioni ecologiche e socio-economiche. In questo contesto, le conoscenze acquisite nell’ambito della presente tesi rappresentano un contributo significativo alla pianificazione di strategie di conservazione e di restauro, in particolare all’interno di programmi di monitoraggio volti a valutare il completo recupero della struttura e delle funzioni ecosistemiche delle foreste macroalgali. Il primo capitolo analizza la diversità delle comunità macro- e microepifitiche associate a Gongolaria barbata lungo la costa centrale del Mare Adriatico (Riviera del Conero, Italia). Le comunità microalgali risultano dominate da diatomee pennate, un pattern tipico degli ambienti costieri temperati. Questo gruppo è costituito prevalentemente da taxa generalisti, ampiamente distribuiti nell’area di studio. Nonostante ciò, le comunità locali presentano un gruppo di taxa relativamente stabili nel tempo, suggerendo l’esistenza di un’associazione persistente tra gli epifiti e l’organismo ospite. La disponibilità e il bilanciamento dei nutrienti emergono come i principali fattori ambientali in grado di modulare l’abbondanza e la composizione delle comunità microalgali. A livello macroepifitico, le alghe filamentose risultano dominanti in tutte le popolazioni di G. barbata analizzate. Il confronto con studi analoghi ha evidenziato una marcata variabilità biogeografica nella composizione delle comunità epifitiche. Attraverso analisi tassonomiche dettagliate, questo studio ha documentato una flora epifita particolarmente ricca, finora poco esplorata, confermando il ruolo delle specie appartenenti al complesso Cystoseira s.l. come importanti hotspot di biodiversità. Allo stesso tempo, i risultati mettono in evidenza significative lacune conoscitive, soprattutto per quanto riguarda le comunità microalgali associate. Il secondo capitolo si concentra sulle comunità macroepifitiche associate a G. barbata, Ericaria amentacea ed E. mediterranea, analizzate su un’ampia scala spaziale che comprende diverse regioni del Mediterraneo e su una scala temporale di tre anni lungo la costa centrale del Mare Adriatico. I risultati evidenziano chiare differenze tra le diverse specie basifite: G. barbata ospita una flora epifita ricca e abbondante, caratterizzata da una marcata strutturazione geografica sia su scala regionale che locale. Al contrario, le comunità associate alle specie di Ericaria risultano povere sia in termini di ricchezza specifica che di abbondanza, mostrando pattern biogeografici rilevabili prevalentemente a scala locale. I fattori ambientali locali, in particolare l’idrodinamismo, svolgono un ruolo chiave nel modulare la ricchezza e l’abbondanza delle comunità epifitiche, tuttavia, il loro effetto risulta fortemente sito-specifico e mediato dalle interazioni con altri fattori abiotici e biotici. Le analisi temporali hanno inoltre evidenziato che il declino locale delle popolazioni di G. barbata, caratterizzato da una riduzione delle dimensioni dei rami e della complessità strutturale, è accompagnato da una marcata diminuzione interannuale delle diversità e della copertura epifitica associata. Tale declino sembra essere correlato a fluttuazioni estreme della temperatura, all’aumento della pressione esercitata dai pascolatori e a specifici regimi idrodinamici dei siti, con le aree esposte al moto ondoso maggiormente interessate dal declino rispetto alle zone riparate. Nel complesso, questi risultati sottolineano l’importanza di integrare la vegetazione associata nei programmi di monitoraggio, conservazione e restauro delle foreste macroalgali mediterranee, evidenziando la necessità di considerare attentamente la scala spaziale di analisi. Il terzo capitolo adotta un approccio molecolare per la caratterizzazione delle comunità fotosintetiche associate alle foreste di G. barbata lungo la costa centrale del Mare Adriatico. L’applicazione combinata di DNA barcoding ed eDNA metabarcoding, mirato al gene plastidiale universale 23S rRNA, ha permesso di superare importanti limitazioni legate all’identificazione morfologica tradizionale e ha dimostrato l’efficacia degli strumenti molecolari nella valutazione rapida e non invasiva della biodiversità vegetale complessiva. In questo contesto, il marcatore 23S rRNA si è rivelato particolarmente efficace nell’identificazione selettiva degli organismi fotosintetici. Il DNA barcoding ha consentito l’individuazione di taxa macroalgali criptici, portando alla luce componenti della biodiversità altrimenti non rilevabili, e ha contribuito in modo significativo all’arricchimento del database di riferimento 23S rRNA utilizzato nelle analisi di metabarcoding, migliorandone la risoluzione tassonomica e mitigando le limitazioni dovute all’incompletezza dei database pubblici. In questo senso, le strategie di barcoding e metabarcoding hanno operato in maniera sinergica. Le analisi di metabarcoding, condotte su un arco temporale biennale a partire da campioni di acqua di mare, hanno permesso di catturare la variabilità temporale e spaziale delle comunità fotosintetiche. Sono state rilevate differenze temporali significative in termini di ricchezza e composizione degli amplicon sequence variants (ASVs), insieme a pattern spaziali verosimilmente associati a regimi idrodinamici contrastanti e all’eterogeneità spaziale intrinseca tra i siti. La variabilità temporale osservata può riflettere cambiamenti nella persistenza del DNA ambientale, regolata da fattori abiotici e biotici, così come essere correlate al declino delle popolazioni di G. barbata e delle comunità algali associate, con potenziali effetti a cascata anche su microalghe e cianobatteri. Nel complesso, questi risultati confermano l’elevato potenziale del marcatore 23S rRNA come strumento per la valutazione della biodiversità vegetale marina. Sottolineano inoltre l’importanza di integrare approcci molecolari nei programmi di monitoraggio ecologico delle foreste macroalgali mediterranee. Il quarto capitolo prende in esame una popolazione dell’alga invasiva Sargassum muticum, stabilitasi nel porto di Ancona, come caso di studio per l’analisi della fenologia e delle comunità macroalgali associate, in confronto con popolazioni native di G. barbata. L’obiettivo è valutare le potenziali conseguenze ecologiche della sostituzione delle foreste macroalgali native, già soggette a diffusi fenomeni di declino. Nell’area di studio, S. muticum ha mostrato numerose analogie fenologiche e strutturali con G. barbata, inclusi i cicli vitali sovrapposti, preferenze di habitat simili e una comparabile complessità morfologica, suggerendo una potenziale sovrapposizione della nicchia ecologica. Le comunità epifitiche associate a S. muticum risultano comparabili a quelle di G. barbata in termini di ricchezza e abbondanza, sebbene la composizione specifica differisca significativamente tra i due ospiti. Allo stesso tempo, S. muticum mostra vantaggi competitivi rispetto alle specie native, che potrebbero contribuire ad aggravare il loro declino e a modificare la struttura delle comunità associate in caso di sostituzione. Tuttavia, nell’ambiente portuale, caratterizzato da un’elevata pressione antropica e dall’assenza di altre macrofite strutturanti, S. muticum ha agito come facilitatore ecologico, aumentando la complessità ambientale e sostenendo la biodiversità macroalgale. Questi risultati evidenziano il ruolo fortemente contestuale delle specie invasive. La comprensione delle interazioni tra comunità native e specie aliene risulta pertanto fondamentale per la pianificazione di interventi di restauro e gestione, considerando che le invasioni biologiche rappresentano una minaccia sempre più frequente da integrare in qualsiasi scenario di conservazione e gestione ecosistemica. Nel complesso, integrando monitoraggi ecologici, analisi comparative su ampia scala e approcci molecolari applicati a specie native e aliene, questa tesi fornisce una valutazione complessiva delle foreste macroalgali mediterranee e della loro vegetazione associata. I risultati evidenziano come le comunità epifitiche svolgano un ruolo centrale nel mantenimento della biodiversità costiera e nella modulazione della struttura, del funzionamento e della resilienza degli habitat macroalgali, rispondendo rapidamente al degrado ambientale attraverso variazioni nella loro abbondanza e composizione. Le differenze regionali e locali nella ricchezza, nell’abbondanza e nella composizione delle comunità epifitiche indicano che le conseguenze ecologiche del declino delle foreste macroalgali possono variare ampiamente nel bacino mediterraneo. Poiché la biodiversità differisce tra regioni, la vegetazione associata non può essere standardizzata come un unico indicatore ecologico, neanche all’interno della stessa area biogeografica. Le strategie di conservazione e restauro dovrebbero pertanto tenere conto della variabilità regionale e della scala di popolazione. Monitoraggi frequenti e dettagliati delle comunità fitobentoniche risultano essenziali per definire condizioni di riferimento specifiche per sito e per rilevare tempestivamente i cambiamenti ecosistemici. Inoltre, considerando la natura frammentata e spesso geneticamente isolata delle popolazioni appartenente al complesso Cystoseira s.l., queste dovrebbero essere trattate come unità di gestione indipendenti.