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 Species is the fundamental unit to quantify biodiversity. In recent years, the model yeast Saccharomyces cerevisiae has seen an increased number of studies related to its geographical distribution, population structure, and phenotypic diversity. However, seven additional species from the same genus have been less thoroughly studied, which has limited our understanding of the macroevolutionary leading to the diversification of this genus over the last 20 million years. Here, we report the geographies, hosts, substrates, and phylogenetic relationships for approximately 1,800 Saccharomyces strains, covering the complete genus with unprecedented breadth and depth. We generated and analyzed complete genome sequences of 163 strains and phenotyped 128 phylogenetically diverse strains. This dataset provides insights about genetic and phenotypic diversity within and between species and populations, quantifies reticulation and incomplete lineage sorting, and demonstrates how gene flow and selection have affected traits, such as galactose metabolism. These findings elevate the genus Saccharomyces as a model to understand biodiversity and evolution in microbial eukaryotes.

Abstract Natural hybridization events provide unique windows into the barriers that keep species apart as well as the consequences of their breakdown. Here we characterize hybrid populations formed between the northern swordtail fish Xiphophorus cortezi and X. birchmanni from collection sites on two rivers. We develop sensitive and accurate local ancestry calling for this system based on low coverage whole genome sequencing. Strikingly, we find that hybrid populations on both rivers consist of two genetically distinct subpopulations: a cluster of nearly pure X. birchmanni individuals and one of phenotypically intermediate hybrids that derive ~85-90% of their genome from X. cortezi . Simulations and empirical data suggest that at both sites initial hybridization occurred ~150 generations ago, with little evidence for contemporary gene flow between subpopulations, likely due to strong assortative mating. The patterns of population structure uncovered here mirror those seen in hybridization between X. birchmanni and its sister species, X. malinche . Future comparisons will provide a window into the repeatability of the outcomes of hybridization not only across independent hybridization events between the same species but also across distinct species pairs.

Abstract The genomics era has expanded our knowledge about the diversity of the living world, yet harnessing high-throughput sequencing data to investigate alternative evolutionary trajectories, such as hybridization, is still challenging. Here we present sppIDer, a pipeline for the characterization of interspecies hybrids and pure species,that illuminates the complete composition of genomes. sppIDer maps short-read sequencing data to a combination genome built from reference genomes of several species of interest and assesses the genomic contribution and relative ploidy of each parental species, producing a series of colorful graphical outputs ready for publication. As a proof-of-concept, we use the genus Saccharomyces to detect and visualize both interspecies hybrids and pure strains, even with missing parental reference genomes. Through simulation, we show that sppIDer is robust to variable reference genome qualities and performs well with low-coverage data. We further demonstrate the power of this approach in plants, animals, and other fungi. sppIDer is robust to many different inputs and provides visually intuitive insight into genome composition that enables the rapid identification of species and their interspecies hybrids. sppIDer exists as a Docker image, which is a reusable, reproducible, transparent, and simple-to-run package that automates the pipeline and installation of the required dependencies ( https://github.com/GLBRC/sppIDer ).

Abstract Hybridization between species is widespread across the tree of life. As a result, many species, including our own, harbor regions of their genome derived from hybridization. Despite the recognition that this process is widespread, we understand little about how the genome stabilizes following hybridization, and whether the mechanisms driving this stabilization tend to be shared across species. Here, we dissect the drivers of variation in local ancestry across the genome in replicated hybridization events between two species pairs of swordtail fish: Xiphophorus birchmanni × X. cortezi and X. birchmanni × X. malinche . We find unexpectedly high levels of repeatability in local ancestry across the two types of hybrid populations. This repeatability is attributable in part to the fact that the recombination landscape and locations of functionally important elements play a major role in driving variation in local ancestry in both types of hybrid populations. Beyond these broad scale patterns, we identify dozens of regions of the genome where minor parent ancestry is unusually low or high across species pairs. Analysis of these regions points to shared sites under selection across species pairs, and in some cases, shared mechanisms of selection. We show that one such region is a previously unknown hybrid incompatibility that is shared across X. birchmanni × X. cortezi and X. birchmanni × X. malinche hybrid populations.

Abstract Over the past two decades researchers have documented the extent of natural hybridization between closely related species using genomic tools. Many species across the tree of life show evidence of past hybridization with their evolutionary relatives. In some cases, this hybridization is complex – involving gene flow between more than two species. While hybridization is common over evolutionary timescales, some researchers have proposed that it may be even more common in contemporary populations where anthropogenic disturbance has modified myriad aspects of the environments in which organisms live and reproduce. Here, we develop a flexible tool for local ancestry inference in hybrids derived from three source populations and describe a complex, recent hybridization event between distantly related swordtail fish lineages ( Xiphophorus ) and its potential links to anthropogenic disturbance. Impact Summary As sequencing tools have advanced, we have found that barriers between animal species are more porous than once thought. Researchers have found evidence for hybridization between species throughout many branches of the tree of life. In some cases, these hybridization events can involve more than two species. Here, we develop a flexible and user-friendly tool that can be used to identify three-way hybrids and report the discovery of hybrids with ancestry from three swordtail ( Xiphophorus ) species from an anthropogenically impacted site on the Río Calnali in Hidalgo, Mexico. Researchers have studied hybrids between two Xiphophorus species along this river for decades, but this is the first documented case of hybridization involving three species. We explore hypotheses for what drove this hybridization event, including anthropogenic pollutants and reduced water quality.

Abstract Yeasts have broad importance as industrially and clinically relevant microbes and as powerful models for fundamental research, but we are only beginning to understand the roles yeasts play in natural ecosystems. Yeast ecology is often more difficult to study compared to other, more abundant microbes, but growing collections of natural yeast isolates are beginning to shed light on fundamental ecological questions. Here we used environmental sampling and isolation to assemble a dataset of 1,962 isolates collected from throughout the contiguous United States of America (USA) and Alaska, which were then used to uncover geographic patterns, along with substrate and temperature associations among yeast taxa. We found some taxa, including the common yeasts Torulaspora delbrueckii and Saccharomyces paradoxus , to be repeatedly isolated from multiple sampled regions of the US, and we classify these as broadly distributed cosmopolitan yeasts. A number of yeast taxon - substrate associations were identified, some of which were novel and some of which support previously reported associations. Further, we found a strong effect of isolation temperature on the phyla of yeasts recovered, as well as for many species. We speculate that substrate and isolation temperature associations reflect the ecological diversity of and niche partitioning by yeast taxa. Take Away Analysis of environmental metadata of nearly 2,000 yeast isolates. Individual yeast taxa associate with specific substrates and plant genera. Optimal yeast isolation temperature differs depending on taxonomic rank. Substrate type and isolation temperatures affect isolated yeast diversity.

One of the mechanisms that can lead to the formation of new species occurs through the evolution of reproductive barriers. However, recent research has demonstrated that hybridization has been pervasive across the tree of life even in the presence of strong barriers. Swordtail fishes (genus Xiphophorus ) are an emerging model system for studying the interface between these barriers and hybridization. We document overlapping mechanisms that act as barriers between closely related species, X. birchmanni and X. cortezi , by combining genomic sequencing from natural hybrid populations, artificial crosses, behavioral assays, sperm performance, and developmental studies. We show that strong assortative mating plays a key role in maintaining subpopulations with distinct ancestry in natural hybrid populations. Lab experiments demonstrate that artificial F1 crosses experience dysfunction: crosses with X. birchmanni females were largely inviable and crosses with X. cortezi females had a heavily skewed sex ratio. Using F2 hybrids we identify several genomic regions that strongly impact hybrid viability. Strikingly, two of these regions underlie genetic incompatibilities in hybrids between X. birchmanni and its sister species X. malinche . Our results demonstrate that ancient hybridization has played a role in the origin of this shared genetic incompatibility. Moreover, ancestry mismatch at these incompatible regions has remarkably similar consequences for phenotypes and hybrid survival in X. cortezi × X. birchmanni hybrids as in X. malinche × X. birchmanni hybrids. Our findings identify varied reproductive barriers that shape genetic exchange between naturally hybridizing species and highlight the complex evolutionary outcomes of hybridization.

Budding yeasts are distributed across a wide range of habitats, including as human commensals. However, under some conditions, these commensals can cause superficial, invasive, and even lethal infections. Despite their importance to human health, little is known about the ecology of these opportunistic pathogens, aside from their associations with mammals and clinical environments. During a survey of approximately 1000 non-clinical samples across the United States of America, we isolated 54 strains of budding yeast species considered opportunistic pathogens, including Candida albicans and Candida (Nakaseomyces) glabrata. We found that, as a group, pathogenic yeasts were positively associated with fruits and soil environments, while the species Pichia kudriavzevii (syn. Candida krusei syn. Issatchenkia orientalis) had a significant association with plants. These results suggest that pathogenic yeast ecology is more complex and diverse than is currently appreciated and raises the possibility that these additional environments could be a point of contact for human infections.

S. eubayanus, the wild, cold-tolerant parent of hybrid lager-brewing yeasts, has a complex and understudied natural history. The exploration of this diversity can be used both to develop new brewing applications and to enlighten our understanding of the dynamics of yeast evolution in the wild. Here, we integrate whole genome sequence and phenotypic data of 200 S. eubayanus strains, the largest collection to date. S. eubayanus has a multilayered population structure, consisting of two major populations that are further structured into six subpopulations. Four of these subpopulations are found exclusively in the Patagonian region of South America; one is found predominantly in Patagonia and sparsely in Oceania and North America; and one is specific to the Holarctic ecozone. S. eubayanus is most abundant and genetically diverse in Patagonia, where some locations harbor more genetic diversity than is found outside of South America. All but one subpopulation shows isolation-by-distance, and gene flow between subpopulations is low. However, there are strong signals of ancient and recent outcrossing, including two admixed lineages, one that is sympatric with and one that is mostly isolated from its parental populations. Despite S. eubayanus' extensive genetic diversity, it has relatively little phenotypic diversity, and all subpopulations performed similarly under most conditions tested. Using our extensive biogeographical data, we constructed a robust model that predicted all known and a handful of additional regions of the globe that are climatically suitable for S. eubayanus, including Europe. We conclude that this industrially relevant species has rich wild diversity with many factors contributing to its complex distribution and biology.