Abstract Reduced representation genome‐sequencing approaches based on restriction digestion are enabling large‐scale marker generation and facilitating genomic studies in a wide range of model and nonmodel systems. However, sampling chromosomes based on restriction digestion may introduce a bias in allele frequency estimation due to polymorphisms in restriction sites. To explore the effects of this nonrandom sampling and its sensitivity to different evolutionary parameters, we developed a coalescent‐simulation framework to mimic the biased recovery of chromosomes in restriction‐based short‐read sequencing experiments ( RAD seq). We analysed simulated DNA sequence datasets and compared known values from simulations with those that would be estimated using a RAD seq approach from the same samples. We compare these ‘true’ and ‘estimated’ values of commonly used summary statistics, π, θ w , Tajima's D and F ST . We show that loci with missing haplotypes have estimated summary statistic values that can deviate dramatically from true values and are also enriched for particular genealogical histories. These biases are sensitive to nonequilibrium demography, such as bottlenecks and population expansion. In silico digests with 102 completely sequenced D rosophila melanogaster genomes yielded results similar to our findings from coalescent simulations. Though the potential of RAD seq for marker discovery and trait mapping in nonmodel systems remains undisputed, our results urge caution when applying this technique to make population genetic inferences.

Drosophila melanogaster has played a pivotal role in the development of modern population genetics. However, many basic questions regarding the demographic and adaptive history of this species remain unresolved. We report the genome sequencing of 139 wild-derived strains of D. melanogaster, representing 22 population samples from the sub-Saharan ancestral range of this species, along with one European population. Most genomes were sequenced above 25X depth from haploid embryos. Results indicated a pervasive influence of non-African admixture in many African populations, motivating the development and application of a novel admixture detection method. Admixture proportions varied among populations, with greater admixture in urban locations. Admixture levels also varied across the genome, with localized peaks and valleys suggestive of a non-neutral introgression process. Genomes from the same location differed starkly in ancestry, suggesting that isolation mechanisms may exist within African populations. After removing putatively admixed genomic segments, the greatest genetic diversity was observed in southern Africa (e.g. Zambia), while diversity in other populations was largely consistent with a geographic expansion from this potentially ancestral region. The European population showed different levels of diversity reduction on each chromosome arm, and some African populations displayed chromosome arm-specific diversity reductions. Inversions in the European sample were associated with strong elevations in diversity across chromosome arms. Genomic scans were conducted to identify loci that may represent targets of positive selection within an African population, between African populations, and between European and African populations. A disproportionate number of candidate selective sweep regions were located near genes with varied roles in gene regulation. Outliers for Europe-Africa FST were found to be enriched in genomic regions of locally elevated cosmopolitan admixture, possibly reflecting a role for some of these loci in driving the introgression of non-African alleles into African populations.

This report of independent genome sequences of two natural populations of Drosophila melanogaster (37 from North America and 6 from Africa) provides unique insight into forces shaping genomic polymorphism and divergence. Evidence of interactions between natural selection and genetic linkage is abundant not only in centromere- and telomere-proximal regions, but also throughout the euchromatic arms. Linkage disequilibrium, which decays within 1 kbp, exhibits a strong bias toward coupling of the more frequent alleles and provides a high-resolution map of recombination rate. The juxtaposition of population genetics statistics in small genomic windows with gene structures and chromatin states yields a rich, high-resolution annotation, including the following: (1) 5'- and 3'-UTRs are enriched for regions of reduced polymorphism relative to lineage-specific divergence; (2) exons overlap with windows of excess relative polymorphism; (3) epigenetic marks associated with active transcription initiation sites overlap with regions of reduced relative polymorphism and relatively reduced estimates of the rate of recombination; (4) the rate of adaptive nonsynonymous fixation increases with the rate of crossing over per base pair; and (5) both duplications and deletions are enriched near origins of replication and their density correlates negatively with the rate of crossing over. Available demographic models of X and autosome descent cannot account for the increased divergence on the X and loss of diversity associated with the out-of-Africa migration. Comparison of the variation among these genomes to variation among genomes from D. simulans suggests that many targets of directional selection are shared between these species.

As the SARS-CoV-2 virus spreads through human populations, the unprecedented accumulation of viral genome sequences is ushering in a new era of 'genomic contact tracing'—that is, using viral genomes to trace local transmission dynamics. However, because the viral phylogeny is already so large—and will undoubtedly grow many fold—placing new sequences onto the tree has emerged as a barrier to real-time genomic contact tracing. Here, we resolve this challenge by building an efficient tree-based data structure encoding the inferred evolutionary history of the virus. We demonstrate that our approach greatly improves the speed of phylogenetic placement of new samples and data visualization, making it possible to complete the placements under the constraints of real-time contact tracing. Thus, our method addresses an important need for maintaining a fully updated reference phylogeny. We make these tools available to the research community through the University of California Santa Cruz SARS-CoV-2 Genome Browser to enable rapid cross-referencing of information in new virus sequences with an ever-expanding array of molecular and structural biology data. The methods described here will empower research and genomic contact tracing for SARS-CoV-2 specifically for laboratories worldwide. Ultrafast Sample placement on Existing tRees (UShER) is an efficient method that facilitates the addition of new SARS-CoV-2 genome sequences onto the existing phylogeny, aiding in real-time analysis of viral evolution during the COVID-19 pandemic.

The neutral theory of molecular evolution predicts that the amount of neutral polymorphisms within a species will increase proportionally with the census population size (Nc). However, this prediction has not been borne out in practice: while the range of Nc spans many orders of magnitude, levels of genetic diversity within species fall in a comparatively narrow range. Although theoretical arguments have invoked the increased efficacy of natural selection in larger populations to explain this discrepancy, few direct empirical tests of this hypothesis have been conducted. In this work, we provide a direct test of this hypothesis using population genomic data from a wide range of taxonomically diverse species. To do this, we relied on the fact that the impact of natural selection on linked neutral diversity depends on the local recombinational environment. In regions of relatively low recombination, selected variants affect more neutral sites through linkage, and the resulting correlation between recombination and polymorphism allows a quantitative assessment of the magnitude of the impact of selection on linked neutral diversity. By comparing whole genome polymorphism data and genetic maps using a coalescent modeling framework, we estimate the degree to which natural selection reduces linked neutral diversity for 40 species of obligately sexual eukaryotes. We then show that the magnitude of the impact of natural selection is positively correlated with Nc, based on body size and species range as proxies for census population size. These results demonstrate that natural selection removes more variation at linked neutral sites in species with large Nc than those with small Nc and provides direct empirical evidence that natural selection constrains levels of neutral genetic diversity across many species. This implies that natural selection may provide an explanation for this longstanding paradox of population genetics.

Abstract Hundreds of wild-derived Drosophila melanogaster genomes have been published, but rigorous comparisons across data sets are precluded by differences in alignment methodology. The most common approach to reference-based genome assembly is a single round of alignment followed by quality filtering and variant detection. We evaluated variations and extensions of this approach and settled on an assembly strategy that utilizes two alignment programs and incorporates both substitutions and short indels to construct an updated reference for a second round of mapping prior to final variant detection. Utilizing this approach, we reassembled published D. melanogaster population genomic data sets and added unpublished genomes from several sub-Saharan populations. Most notably, we present aligned data from phase 3 of the Drosophila Population Genomics Project (DPGP3), which provides 197 genomes from a single ancestral range population of D. melanogaster (from Zambia). The large sample size, high genetic diversity, and potentially simpler demographic history of the DPGP3 sample will make this a highly valuable resource for fundamental population genetic research. The complete set of assemblies described here, termed the Drosophila Genome Nexus, presently comprises 623 consistently aligned genomes and is publicly available in multiple formats with supporting documentation and bioinformatic tools. This resource will greatly facilitate population genomic analysis in this model species by reducing the methodological differences between data sets.

The importance of epistasis--non-additive interactions between alleles--in shaping population fitness has long been a controversial topic, hampered in part by lack of empirical evidence. Traditionally, epistasis is inferred on the basis of non-independence of genotypic values between loci for a given trait. However, epistasis for fitness should also have a genomic footprint. To capture this signal, we have developed a simple approach that relies on detecting genotype ratio distortion as a sign of epistasis, and we apply this method to a large panel of Drosophila melanogaster recombinant inbred lines. Here we confirm experimentally that instances of genotype ratio distortion represent loci with epistatic fitness effects; we conservatively estimate that any two haploid genomes in this study are expected to harbour 1.15 pairs of epistatically interacting alleles. This observation has important implications for speciation genetics, as it indicates that the raw material to drive reproductive isolation is segregating contemporaneously within species and does not necessarily require, as proposed by the Dobzhansky-Muller model, the emergence of incompatible mutations independently derived and fixed in allopatry. The relevance of our result extends beyond speciation, as it demonstrates that epistasis is widespread but that it may often go undetected owing to lack of statistical power or lack of genome-wide scope of the experiments.

Abstract Accurate and timely detection of recombinant lineages is crucial for interpreting genetic variation, reconstructing epidemic spread, identifying selection and variants of interest, and accurately performing phylogenetic analyses. During the SARS-CoV-2 pandemic, genomic data generation has exceeded the capacities of existing analysis platforms, thereby crippling real-time analysis of viral recombination. Low SARS-CoV-2 mutation rates make detecting recombination difficult. Here, we develop and apply a novel phylogenomic method to exhaustively search a nearly comprehensive SARS-CoV-2 phylogeny for recombinant lineages. We investigate a 1.6M sample tree, and identify 606 recombination events. Approximately 2.7% of sequenced SARS-CoV-2 genomes have recombinant ancestry. Recombination breakpoints occur disproportionately in the Spike protein region. Our method empowers comprehensive real time tracking of viral recombination during the SARS-CoV-2 pandemic and beyond.

Abstract The evolution of reproductive barriers is the first step in the formation of new species and can help us understand the diversification of life on Earth. These reproductive barriers often take the form of “hybrid incompatibilities,” where alleles derived from two different species no longer interact properly in hybrids. Theory predicts that hybrid incompatibilities may be more likely to arise at rapidly evolving genes and that incompatibilities involving multiple genes should be common, but there has been sparse empirical data to evaluate these predictions. Here, we describe a mitonuclear incompatibility involving three genes in physical contact within respiratory Complex I in naturally hybridizing swordtail fish species. Individuals homozygous for specific mismatched protein combinations fail to complete embryonic development or die as juveniles, while those heterozygous for the incompatibility have reduced function of Complex I and unbalanced representation of parental alleles in the mitochondrial proteome. We find that the impacts of different genetic interactions on survival are non-additive, highlighting subtle complexity in the genetic architecture of hybrid incompatibilities. We document the evolutionary history of the genes involved, showing for the first time that an incompatibility has been transferred between species via hybridization. This work thus provides the first glimpse into the genetic architecture, physiological impacts, and evolutionary origin of a complex incompatibility impacting naturally hybridizing species.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in late 2019 and spread globally to cause the COVID-19 pandemic. Despite the constant accumulation of genetic variation in the SARS-CoV-2 population, there was little evidence for the emergence of significantly more transmissible lineages in the first half of 2020. Starting around November 2020, several more contagious and possibly more virulent ‘Variants of Concern’ (VoCs) were reported in various regions of the world. These VoCs share some mutations and deletions that haven arisen recurrently in distinct genetic backgrounds. Here, we build on our previous work modelling the association of mutations to SARS-CoV-2 transmissibility and characterise the contribution of individual recurrent mutations and deletions to estimated viral transmissibility. We then assess how patterns of estimated transmissibility in all SARS-CoV-2 clades have varied over the course of the COVID-19 pandemic by summing transmissibility estimates for all individual mutations carried by any sequenced genome analysed. Such an approach recovers the Delta variant (21A) as the most transmissible clade currently in circulation, followed by the Alpha variant (20I). By assessing transmissibility over the time of sampling, we observe a tendency for estimated transmissibility within clades to slightly decrease over time in most clades. Although subtle, this pattern is consistent with the expectation of a decay in transmissibility in mainly non-recombining lineages caused by the accumulation of weakly deleterious mutations. SARS-CoV-2 remains a highly transmissible pathogen, though such a trend could conceivably play a role in the turnover of different global viral clades observed over the pandemic so far. Caveats This work is not about the severity of disease. We do not analyse the severity of disease. We do not present any evidence that SARS-CoV-2 has decreased in severity. Lineage replacement dynamics are affected by many factors. The trend we recover for a decrease in inferred transmissibility of a clade over time is a small effect. We caution against over-interpretation. This result would not affect the management of the SARS-CoV-2 pandemic: for example, we make no claims about any impact on the efficacy of particular non-pharmaceutical interventions (NPIs). Our phylogeny-based method to infer changes in estimated transmissibility due to recurrent mutations and deletions makes a number of simplifying assumptions. These may not all be valid. The consistent trend for the slight decrease we report might be due to an as-yet-unidentified systematic bias.