The human genome project has been recently complemented by whole-genome assessment sequence of 32 mammals and 24 nonmammalian vertebrate species suitable for comparative genomic analyses. Here we anticipate a precipitous drop in costs and increase in sequencing efficiency, with concomitant development of improved annotation technology and, therefore, propose to create a collection of tissue and DNA specimens for 10 000 vertebrate species specifically designated for whole-genome sequencing in the very near future. For this purpose, we, the Genome 10K Community of Scientists (G10KCOS), will assemble and allocate a biospecimen collection of some 16 203 representative vertebrate species spanning evolutionary diversity across living mammals, birds, nonavian reptiles, amphibians, and fishes (ca. 60 000 living species). In this proposal, we present precise counts for these 16 203 individual species with specimens presently tagged and stipulated for DNA sequencing by the G10KCOS. DNA sequencing has ushered in a new era of investigation in the biological sciences, allowing us to embark for the first time on a truly comprehensive study of vertebrate evolution, the results of which will touch nearly every aspect of vertebrate biological enquiry.

Amphibian populations around the world are experiencing unprecedented declines attributed to a chytrid fungal pathogen, Batrachochytrium dendrobatidis . Despite the severity of the crisis, quantitative analyses of the effects of the epidemic on amphibian abundance and diversity have been unavailable as a result of the lack of equivalent data collected before and following disease outbreak. We present a community-level assessment combining long-term field surveys and DNA barcode data describing changes in abundance and evolutionary diversity within the amphibian community of El Copé, Panama, following a disease epidemic and mass-mortality event. The epidemic reduced taxonomic, lineage, and phylogenetic diversity similarly. We discovered that 30 species were lost, including five undescribed species, representing 41% of total amphibian lineage diversity in El Copé. These extirpations represented 33% of the evolutionary history of amphibians within the community, and variation in the degree of population loss and decline among species was random with respect to the community phylogeny. Our approach provides a fast, economical, and informative analysis of loss in a community whether measured by species or phylogenetic diversity.

Species distributed across vast continental areas and across major biomes provide unique model systems for studies of biotic diversification, yet also constitute daunting financial, logistic and political challenges for data collection across such regions. The tree frog Dendropsophus minutus (Anura: Hylidae) is a nominal species, continentally distributed in South America, that may represent a complex of multiple species, each with a more limited distribution. To understand the spatial pattern of molecular diversity throughout the range of this species complex, we obtained DNA sequence data from two mitochondrial genes, cytochrome oxidase I (COI) and the 16S rhibosomal gene (16S) for 407 samples of D. minutus and closely related species distributed across eleven countries, effectively comprising the entire range of the group. We performed phylogenetic and spatially explicit phylogeographic analyses to assess the genetic structure of lineages and infer ancestral areas. We found 43 statistically supported, deep mitochondrial lineages, several of which may represent currently unrecognized distinct species. One major clade, containing 25 divergent lineages, includes samples from the type locality of D. minutus. We defined that clade as the D. minutus complex. The remaining lineages together with the D. minutus complex constitute the D. minutus species group. Historical analyses support an Amazonian origin for the D. minutus species group with a subsequent dispersal to eastern Brazil where the D. minutus complex originated. According to our dataset, a total of eight mtDNA lineages have ranges >100,000 km2. One of them occupies an area of almost one million km2 encompassing multiple biomes. Our results, at a spatial scale and resolution unprecedented for a Neotropical vertebrate, confirm that widespread amphibian species occur in lowland South America, yet at the same time a large proportion of cryptic diversity still remains to be discovered.

ABSTRACT Amphibians are the most threatened group of vertebrates and are in dire need of conservation intervention to ensure their continued survival. They have many unique features including a high diversity of reproductive strategies, permeable and specialized skin capable of producing toxins and antimicrobial compounds, multiple genetic mechanisms of sex determination, and in some lineages even the ability to regenerate limbs and internal organs. Although genomics approaches would shed light on these unique phenotypic traits and aid in conservation management, sequencing and assembly of amphibian genomes has lagged far behind other taxa due to their comparatively large genome sizes. Fortunately, the development of long-read sequencing technologies and initiatives has led to a recent burst of new amphibian genome assemblies. Although growing, the field of amphibian genomics suffers from the lack of annotation resources, tools for working with challenging genomes, and lack of high-quality assemblies in multiple clades of amphibians. Here we analyze 32 publicly available amphibian genomes to evaluate their usefulness for functional genomics analysis. We report considerable variation in assembly quality and completeness, and report some of the highest transposable element and repeat contents of any vertebrate, which is associated with climate. We also provide evidence of conserved genome synteny despite the long divergence times of this group but show that chromosome naming and orientation have been inconsistent across genome assemblies. Additionally, we discuss sequencing gaps in the phylogeny and suggest key targets for future sequencing endeavors. Lastly, we propose increased investment in amphibian genomics research to promote their conservation.

Abstract Studies in vertebrate genomics require sampling from a broad range of tissue types, taxa, and localities. Recent advancements in long-read and long-range genome sequencing have made it possible to produce high-quality chromosome-level genome assemblies for almost any organism. However, adequate tissue preservation for the requisite ultra-high molecular weight DNA (uHMW DNA) remains a major challenge. Here we present a comparative study of preservation methods for field and laboratory tissue sampling, across vertebrate classes and different tissue types. We find that no single method is best for all cases. Instead, the optimal storage and extraction methods vary by taxa, by tissue, and by down-stream application. Therefore, we provide sample preservation guidelines that ensure sufficient DNA integrity and amount required for use with long-read and long-range sequencing technologies across vertebrates. Our best practices generated the uHMW DNA needed for the high-quality reference genomes for Phase 1 of the Vertebrate Genomes Project (VGP), whose ultimate mission is to generate chromosome-level reference genome assemblies of all ∼70,000 extant vertebrate species.

ABSTRACT Gene duplication is an important source of evolutionary innovation, but the adaptive division-of-labor between duplicates can be opposed by ongoing gene conversion between them. Here we document a tandem duplication of Na + ,K + -ATPase subunit α1 (ATP1A1) shared by frogs in the genus Leptodactylus , a group of species that feeds on toxic toads. One ATP1A1 paralog evolved resistance to toad toxins while the other paralog retained ancestral susceptibility. We show that the two Leptodactylus paralogs are distinguished by 12 amino acid substitutions that were maintained by strong selection that counteracted the homogenizing effect of gene conversion. Protein-engineering experiments show that two major-effect substitutions confer toxin resistance, whereas the 10 additional substitutions mitigate deleterious pleiotropic effects on enzyme function. Our results highlight how trans-specific, neofunctionalized gene duplicates can provide unique insights into interactions between adaptive substitutions and the genetic backgrounds on which they arise. One Sentence Summary Selection counteracts gene conversion to maintain an adaptive division-of-labor between tandemly duplicated genes.

Abstract A growing body of theoretical and experimental evidence suggests that intramolecular epistasis is a major determinant of rates and patterns of protein evolution and imposes a substantial constraint on the evolution of novel protein functions. Here, we examine the role of intramolecular epistasis in the recurrent evolution of resistance to cardiotonic steroids (CTS) across tetrapods, which occurs via specific amino acid substitutions to the α-subunit family of Na,K-ATPases (ATP1A). After identifying a series of recurrent substitutions at two key sites of ATP1A that are predicted to confer CTS resistance in diverse tetrapods, we then performed protein engineering experiments to test the functional consequences of introducing these substitutions onto divergent species backgrounds. In line with previous results, we find that substitutions at these sites can have substantial background-dependent effects on CTS resistance. Globally, however, these substitutions also have pleiotropic effects that are consistent with additive rather than background-dependent effects. Moreover, the magnitude of a substitution’s effect on activity does not depend on the overall extent of ATP1A sequence divergence between species. Our results suggest that epistatic constraints on the evolution of CTS-resistant forms of Na,K-ATPase likely depend on a small number of sites, with little dependence on overall levels of protein divergence. We propose that dependence on a limited number sites may account for the observation of convergent CTS resistance substitutions observed among taxa with highly divergent Na,K-ATPases. Significance Statement Individual amino acid residues within a protein work in concert to produce a functionally coherent structure that must be maintained even as orthologous proteins in different species diverge over time. Given this dependence, we expect identical mutations to have more similar effects on protein function in more closely related species. We tested this hypothesis by performing protein-engineering experiments on ATP1A, an enzyme mediating target-site insensitivity to cardiotonic steroids (CTS) in diverse animals. These experiments reveal that the phenotypic effects of substitutions can sometimes be background-dependent, but also that the magnitude of these phenotypic effects does not correlate with overall levels of ATP1A sequence divergence. Our results suggest that epistatic constraints are determined by states at a small number of sites, potentially explaining the frequent convergent CTS resistance substitutions among Na,K-ATPases of highly divergent taxa.

Abstract Our study assesses the variability of amphibian biofluorescence and provides insight into its potential functions and role in anuran evolution. Via a field survey across South America, we discovered and documented patterns of biofluorescence in tropical amphibians. We more than tripled the number of species that have been tested for this trait and added representatives from previously untested anuran families. We found evidence for ecological tuning (i.e., the specific adaptation of a signal to the environment in which it is received) of the novel anuran biofluorescent signals. Across groups, the fluorescence excitation peak matches the wavelengths most available at twilight, the light environment in which most frog species are active. Additionally, biofluorescence emission spans both wavelengths of low availability in twilight and the peak sensitivity of green-sensitive rods in the anuran eye, likely increasing contrast of this signal for a conspecific receiver. With evidence of tuning to the ecology and sensory systems of frogs, our results suggest frog biofluorescence is likely functioning in anuran communication.

Abstract The complex topography of the species-rich northern Andes creates heterogeneous environmental landscapes that are hypothesized to have promoted population fragmentation and diversification by vicariance, gradients and/or the adaptation of species. Previous phylogenetic work on the Palm Rocket Frog (Anura: Aromobatidae: Rheobates spp.), endemic to mid-elevation forests of Colombia, suggested valleys were important in promoting divergence between lineages. In this study, we use a spatially, multi-locus population genetic approach of two mitochondrial and four nuclear genes from 25 samples representing the complete geographic range of the genus to delimit species and test for landscape effects on genetic divergence within Rheobates . We tested three landscape genetic models: isolation by distance, isolation by resistance, and isolation by environment. Bayesian species delimitation (BPP) and a Poisson Tree Process (PTP) model both recovered five highly divergent genetic lineages within Rheobates , rather than the three inferred in a previous study. We found that an isolation by environment provided the only variable significantly correlated with genetic distances for both mitochondrial and nuclear genes, suggesting that local adaptation may have a role driving the genetic divergence within this genus of frogs. Thus, genetic divergence in Rheobates may be driven by the local environments where these frogs live, even more so that by the environmental characteristics of the intervening regions among populations ( i . e ., geographic barriers).

Aim: To evaluate the potential role of the orogeny of the Eastern Cordillera (EC) of the Colombian Andes and the Merida Andes (MA) of Venezuela as drivers of vicariance between populations of 37 tetrapod lineages codistributed on both flanks, through geological reconstruction and comparative phylogeographic analyses. Location: Northwestern South America. Methods: We first reviewed and synthesized published geological data on the timing of uplift for the EC MA. We then combined newly generated mitochondrial DNA sequence data with published datasets to create a comparative phylogeographic dataset for 37 independent tetrapod lineages. We reconstructed time calibrated molecular phylogenies for each lineage under Bayesian inference to estimate divergence times between lineages located East and West of the Andes. We performed a comparative phylogeographic analysis of all lineages within each class of tetrapod using hierarchical approximate Bayesian computation (hABC) to test for synchronous vicariance across the EC MA. To evaluate the potential role of life history in explaining variation in divergence times among lineages, we evaluated 13 general linear models (GLM) containing up to six variables each (maximum elevation, range size, body length, thermoregulation, type of dispersal, and taxonomic class). Results: Our synthesis of geological evidence suggested that the EC MA reached significant heights by 38 to 33 million years ago (Ma) along most of its length, and we reject the oft cited date of 2 to 5 Ma. Based on mtDNA divergence from 37 lineages, however, the median estimated divergence time across the EC MA was 3.26 Ma (SE = 2.84) in amphibians, 2.58 Ma (SE = 1.81) in birds, 2.99 Ma (SE = 4.68) in reptiles and 1.43 Ma (SE = 1.23) in mammals. Using Bayes Factors, the hypothesis for a single temporal divergence interval containing synchronous divergence events was supported for mammals and but not supported for amphibians, non avian reptiles, or birds. Among the six life history variables tested, only thermoregulation successfully explained variation in divergence times (minimum AICc, R2 = 0.10), with homeotherms showing more recent divergence relative to poikilotherms. Main conclusions: Our results reject the hypothesis of the rise Andean Cordillera as driver of vicariance of lowland population because divergence dates are too recent and too asynchronous. We discuss alternative explanations, including dispersal through mountain passes, and suggest that changes in the climatic conditions during the Pliocene and Pleistocene interacted with tetrapod physiology, promoting older divergences in amphibians and reptiles relative to mammals and birds on an already established orogeny.