The evolutionary importance of hybridization and introgression has long been debated. Hybrids are usually rare and unfit, but even infrequent hybridization can aid adaptation by transferring beneficial traits between species. Here we use genomic tools to investigate introgression in Heliconius, a rapidly radiating genus of neotropical butterflies widely used in studies of ecology, behaviour, mimicry and speciation. We sequenced the genome of Heliconius melpomene and compared it with other taxa to investigate chromosomal evolution in Lepidoptera and gene flow among multiple Heliconius species and races. Among 12,669 predicted genes, biologically important expansions of families of chemosensory and Hox genes are particularly noteworthy. Chromosomal organization has remained broadly conserved since the Cretaceous period, when butterflies split from the Bombyx (silkmoth) lineage. Using genomic resequencing, we show hybrid exchange of genes between three co-mimics, Heliconius melpomene, Heliconius timareta and Heliconius elevatus, especially at two genomic regions that control mimicry pattern. We infer that closely related Heliconius species exchange protective colour-pattern genes promiscuously, implying that hybridization has an important role in adaptive radiation.

Most speciation events probably occur gradually, without complete and immediate reproductive isolation, but the full extent of gene flow between diverging species has rarely been characterized on a genome-wide scale. Documenting the extent and timing of admixture between diverging species can clarify the role of geographic isolation in speciation. Here we use new methodology to quantify admixture at different stages of divergence in Heliconius butterflies, based on whole-genome sequences of 31 individuals. Comparisons between sympatric and allopatric populations of H. melpomene , H. cydno , and H. timareta revealed a genome-wide trend of increased shared variation in sympatry, indicative of pervasive interspecific gene flow. Up to 40% of 100-kb genomic windows clustered by geography rather than by species, demonstrating that a very substantial fraction of the genome has been shared between sympatric species. Analyses of genetic variation shared over different time intervals suggested that admixture between these species has continued since early in speciation. Alleles shared between species during recent time intervals displayed higher levels of linkage disequilibrium than those shared over longer time intervals, suggesting that this admixture took place at multiple points during divergence and is probably ongoing. The signal of admixture was significantly reduced around loci controlling divergent wing patterns, as well as throughout the Z chromosome, consistent with strong selection for Müllerian mimicry and with known Z-linked hybrid incompatibility. Overall these results show that species divergence can occur in the face of persistent and genome-wide admixture over long periods of time.

We used 20 de novo genome assemblies to probe the speciation history and architecture of gene flow in rapidly radiating Heliconius butterflies. Our tests to distinguish incomplete lineage sorting from introgression indicate that gene flow has obscured several ancient phylogenetic relationships in this group over large swathes of the genome. Introgressed loci are underrepresented in low-recombination and gene-rich regions, consistent with the purging of foreign alleles more tightly linked to incompatibility loci. Here, we identify a hitherto unknown inversion that traps a color pattern switch locus. We infer that this inversion was transferred between lineages by introgression and is convergent with a similar rearrangement in another part of the genus. These multiple de novo genome sequences enable improved understanding of the importance of introgression and selective processes in adaptive radiation.

Heliconius butterflies represent a recent radiation of species, in which wing pattern divergence has been implicated in speciation. Several loci that control wing pattern phenotypes have been mapped and two were identified through sequencing. These same gene regions play a role in adaptation across the whole Heliconius radiation. Previous studies of population genetic patterns at these regions have sequenced small amplicons. Here, we use targeted next-generation sequence capture to survey patterns of divergence across these entire regions in divergent geographical races and species of Heliconius . This technique was successful both within and between species for obtaining high coverage of almost all coding regions and sufficient coverage of non-coding regions to perform population genetic analyses. We find major peaks of elevated population differentiation between races across hybrid zones, which indicate regions under strong divergent selection. These ‘islands’ of divergence appear to be more extensive between closely related species, but there is less clear evidence for such islands between more distantly related species at two further points along the ‘speciation continuum’. We also sequence fosmid clones across these regions in different Heliconius melpomene races. We find no major structural rearrangements but many relatively large (greater than 1 kb) insertion/deletion events (including gain/loss of transposable elements) that are variable between races.

Abstract Hybrids between diverging populations are often sterile or inviable. Hybrid unfitness usually evolves first in the heterogametic sex – a pattern known as Haldane’s rule. The genetics of Haldane’s Rule have been extensively studied in species where the male is the heterogametic (XX/XY) sex, but its basis in taxa where the female is heterogametic (ZW/ZZ), such as Lepidoptera and birds, is largely unknown. Here, we analyse a new case of female hybrid sterility between geographic subspecies of Heliconius pardalinus . The two subspecies mate freely in captivity, but female F1 hybrids in both directions of cross are sterile. Sterility is due to arrested development of oocytes after they become differentiated from nurse cells, but before yolk deposition. We backcrossed fertile male F1 hybrids to parental females, and mapped quantitative trait loci (QTLs) for female sterility. We also identified genes differentially expressed in the ovary, and as a function of oocyte development. The Z chromosome has a major effect, similar to the “large X effect” in Drosophila , with strong epistatic interactions between loci at either end of the Z chromosome, and between the Z chromosome and autosomal loci on chromosomes 8 and 20. Among loci differentially expressed between females with arrested vs. non-arrested ovary development, we identified six candidate genes known also from Drosophila melanogaster and Parage aegeria oogenesis. This study is the first to characterize hybrid sterility using genome mapping in the Lepidoptera. We demonstrate that sterility is produced by multiple complex epistastic interactions often involving the sex chromosome, as predicted by the dominance theory of Haldane’s Rule.

Recent advances in high throughput sequencing have transformed the study of wild organisms by facilitating the generation of high quality genome assemblies and dense genetic marker datasets. These resources have the potential to significantly advance our understanding of diverse phenomena at the level of species, populations and individuals, ranging from patterns of synteny through rates of linkage disequilibrium (LD) decay and population structure to individual inbreeding. Consequently, we used PacBio sequencing to refine an existing Antarctic fur seal (Arctocephalus gazella) genome assembly and genotyped 83 individuals from six populations using restriction site associated DNA (RAD) sequencing. The resulting hybrid genome comprised 6,169 scaffolds with an N50 of 6.21 Mb and provided clear evidence for the conservation of large chromosomal segments between the fur seal and dog (Canis lupus familiaris). Focusing on the most extensively sampled population of South Georgia, we found that LD decayed rapidly, reaching the background level of r2 = 0.09 by around 26 kb, consistent with other vertebrates but at odds with the notion that fur seals experienced a strong historical bottleneck. We also found evidence for population structuring, with four main Antarctic island groups being resolved. Finally, appreciable variance in individual inbreeding could be detected, reflecting the strong polygyny and site fidelity of the species. Overall, our study contributes important resources for future genomic studies of fur seals and other pinnipeds while also providing a clear example of how high throughput sequencing can generate diverse biological insights at multiple levels of organisation.

We here pioneer a low-cost assembly strategy for 20 Heliconiini genomes to characterize the evolutionary history of the rapidly radiating genus Heliconius. A bifurcating tree provides a poor fit to the data, and we therefore explore a reticulate phylogeny for Heliconius. We probe the genomic architecture of gene flow, and develop a new method to distinguish incomplete lineage sorting from introgression. We find that most loci with non-canonical histories arose through introgression, and are strongly underrepresented in regions of low recombination and high gene density. This is expected if introgressed alleles are more likely to be purged in such regions due to tighter linkage with incompatibility loci. Finally, we identify a hitherto unrecognized inversion, and show it is a convergent structural rearrangement that captures a known color pattern switch locus within the genus. Our multi-genome assembly approach enables an improved understanding of adaptive radiation.

Supergenes are groups of tightly linked loci whose variation is inherited as a single Mendelian locus and are a common genetic architecture for complex traits under balancing selection. Supergene alleles are long-range haplotypes with numerous mutations underlying distinct adaptive strategies, often maintained in linkage disequilibrium through the suppression of recombination by chromosomal rearrangements. However, the mechanism governing the formation of supergenes is not well understood, and poses the paradox of establishing divergent functional haplotypes in face of recombination. Here, we show that the formation of the supergene alleles encoding mimicry polymorphism in the butterfly Heliconius numata is associated with the introgression of a divergent, inverted chromosomal segment. Haplotype divergence and linkage disequilibrium indicate that supergene alleles, each allowing precise wing-pattern resemblance to distinct butterfly models, originate from over a million years of independent chromosomal evolution in separate lineages. These "superalleles" have evolved from a chromosomal inversion captured by introgression and maintained in balanced polymorphism, triggering supergene inheritance. This mode of evolution is likely to be a common feature of complex structural polymorphisms associated with the coexistence of distinct adaptive syndromes, and shows that the reticulation of genealogies may have a powerful influence on the evolution of genetic architectures in nature.

Müllerian mimicry among Neotropical Heliconiini butterflies is an excellent example of natural selection, and is associated with the diversification of a large continental-scale radiation. Some of the processes driving the evolution of mimicry rings are likely to generate incongruent phylogenetic signals across the assemblage, and thus pose a challenge for systematics. We use a dataset of 22 mitochondrial and nuclear markers from 92% of species in the tribe to re-examine the phylogeny of Heliconiini with both supermatrix and multi-species coalescent approaches, characterise the patterns of conflicting signal and compare the performance of various methodological approaches to reflect the heterogeneity across the data. Despite the large extent of reticulate signal and strong conflict between markers, nearly identical topologies are consistently recovered by most of the analyses, although the supermatrix approach fails to reflect the underlying variation in the history of individual loci. The first comprehensive, time-calibrated phylogeny of this group is used to test the hypotheses of a diversification rate increase driven by the dramatic environmental changes in the Amazonia over the past 23 million years, or changes caused by diversity-dependent effects on the rate of diversification. We find that the tribe Heliconiini had doubled its rate of speciation around 11 Ma and that the presently most speciose genus Heliconius started diversifying rapidly at 10 Ma, likely in response to the recent drastic changes in topography of the region. Our study provides comprehensive evidence for a rapid adaptive radiation among an important insect radiation in the most biodiverse region of the planet.

The Heliconius butterflies are a widely studied adaptive radiation of 46 species spread across Central and South America, several of which are known to hybridise in the wild. Here, we present a substantially improved assembly of the Heliconius melpomene genome, developed using novel methods that should be applicable to improving other genome assemblies produced using short read sequencing. Firstly, we whole genome sequenced a pedigree to produce a linkage map incorporating 99% of the genome. Secondly, we incorporated haplotype scaffolds extensively to produce a more complete haploid version of the draft genome. Thirdly, we incorporated ~20x coverage of Pacific Biosciences sequencing and scaffolded the haploid genome using an assembly of this long read sequence. These improvements result in a genome of 795 scaffolds, 275 Mb in length, with an L50 of 2.1 Mb, an N50 of 34 and with 99% of the genome placed and 84% anchored on chromosomes. We use the new genome assembly to confirm that the Heliconius genome underwent 10 chromosome fusions since the split with its sister genus Eueides, over a period of about 6 million years.