Andrew Foote and colleagues report the whole-genome sequences and de novo assemblies of three marine mammal species—the walrus, killer whale and manatee—and an improved bottlenose dolphin genome. Their comparative genomic analysis finds evidence of parallel evolution across the marine mammal genomes. Marine mammals from different mammalian orders share several phenotypic traits adapted to the aquatic environment and therefore represent a classic example of convergent evolution. To investigate convergent evolution at the genomic level, we sequenced and performed de novo assembly of the genomes of three species of marine mammals (the killer whale, walrus and manatee) from three mammalian orders that share independently evolved phenotypic adaptations to a marine existence. Our comparative genomic analyses found that convergent amino acid substitutions were widespread throughout the genome and that a subset of these substitutions were in genes evolving under positive selection and putatively associated with a marine phenotype. However, we found higher levels of convergent amino acid substitutions in a control set of terrestrial sister taxa to the marine mammals. Our results suggest that, whereas convergent molecular evolution is relatively common, adaptive molecular convergence linked to phenotypic convergence is comparatively rare.

Killer whales (Orcinus orca) currently comprise a single, cosmopolitan species with a diverse diet. However, studies over the last 30 yr have revealed populations of sympatric "ecotypes" with discrete prey preferences, morphology, and behaviors. Although these ecotypes avoid social interactions and are not known to interbreed, genetic studies to date have found extremely low levels of diversity in the mitochondrial control region, and few clear phylogeographic patterns worldwide. This low level of diversity is likely due to low mitochondrial mutation rates that are common to cetaceans. Using killer whales as a case study, we have developed a method to readily sequence, assemble, and analyze complete mitochondrial genomes from large numbers of samples to more accurately assess phylogeography and estimate divergence times. This represents an important tool for wildlife management, not only for killer whales but for many marine taxa. We used high-throughput sequencing to survey whole mitochondrial genome variation of 139 samples from the North Pacific, North Atlantic, and southern oceans. Phylogenetic analysis indicated that each of the known ecotypes represents a strongly supported clade with divergence times ranging from approximately 150,000 to 700,000 yr ago. We recommend that three named ecotypes be elevated to full species, and that the remaining types be recognized as subspecies pending additional data. Establishing appropriate taxonomic designations will greatly aid in understanding the ecological impacts and conservation needs of these important marine predators. We predict that phylogeographic mitogenomics will become an important tool for improved statistical phylogeography and more precise estimates of divergence times.

Abstract Organochlorine (OC) pesticides and the more persistent polychlorinated biphenyls (PCBs) have well-established dose-dependent toxicities to birds, fish and mammals in experimental studies, but the actual impact of OC pollutants on European marine top predators remains unknown. Here we show that several cetacean species have very high mean blubber PCB concentrations likely to cause population declines and suppress population recovery. In a large pan-European meta-analysis of stranded (n = 929) or biopsied (n = 152) cetaceans, three out of four species:- striped dolphins (SDs), bottlenose dolphins (BNDs) and killer whales (KWs) had mean PCB levels that markedly exceeded all known marine mammal PCB toxicity thresholds. Some locations (e.g. western Mediterranean Sea, south-west Iberian Peninsula) are global PCB “hotspots” for marine mammals. Blubber PCB concentrations initially declined following a mid-1980s EU ban, but have since stabilised in UK harbour porpoises and SDs in the western Mediterranean Sea. Some small or declining populations of BNDs and KWs in the NE Atlantic were associated with low recruitment, consistent with PCB-induced reproductive toxicity. Despite regulations and mitigation measures to reduce PCB pollution, their biomagnification in marine food webs continues to cause severe impacts among cetacean top predators in European seas.

The exploitation of non-invasive samples has been widely used in genetic monitoring of terrestrial species. In aquatic ecosystems, non-invasive samples such as feces, shed hair or skin, are less accessible. However, the use of environmental DNA (eDNA) has recently been shown to be an effective tool for genetic monitoring of species presence in freshwater ecosystems. Detecting species in the marine environment using eDNA potentially offers a greater challenge due to the greater dilution, amount of mixing and salinity compared with most freshwater ecosystems. To determine the potential use of eDNA for genetic monitoring we used specific primers that amplify short mitochondrial DNA sequences to detect the presence of a marine mammal, the harbor porpoise, Phocoena phocoena, in a controlled environment and in natural marine locations. The reliability of the genetic detections was investigated by comparing with detections of harbor porpoise echolocation clicks by static acoustic monitoring devices. While we were able to consistently genetically detect the target species under controlled conditions, the results from natural locations were less consistent and detection by eDNA was less successful than acoustic detections. However, at one site we detected long-finned pilot whale, Globicephala melas, a species rarely sighted in the Baltic. Therefore, with optimization aimed towards processing larger volumes of seawater this method has the potential to compliment current visual and acoustic methods of species detection of marine mammals.

Abstract Analysing population genomic data from killer whale ecotypes, which we estimate have globally radiated within less than 250,000 years, we show that genetic structuring including the segregation of potentially functional alleles is associated with socially inherited ecological niche. Reconstruction of ancestral demographic history revealed bottlenecks during founder events, likely promoting ecological divergence and genetic drift resulting in a wide range of genome-wide differentiation between pairs of allopatric and sympatric ecotypes. Functional enrichment analyses provided evidence for regional genomic divergence associated with habitat, dietary preferences and post-zygotic reproductive isolation. Our findings are consistent with expansion of small founder groups into novel niches by an initial plastic behavioural response, perpetuated by social learning imposing an altered natural selection regime. The study constitutes an important step towards an understanding of the complex interaction between demographic history, culture, ecological adaptation and evolution at the genomic level.

Abstract What are the mechanisms that allow species to extend their ranges and adapt to the novel environmental conditions they find in the newly available habitat? The study of parallel adaptation of pairs of populations to similar environments can provide great insights into this question. Here, we test for parallel evolution driven by niche specialization in a highly social marine mammal, the common bottlenose dolphin, Tursiops truncatus , and investigate the origins of the genetic variation driving local adaptation. Coastal ecotypes of common bottlenose dolphins have recurrently emerged in multiple regions of the world from pelagic ecotype populations, when novel habitat became available. Analyzing the whole genomes of 57 individuals using comparative population genomics approaches, we found that coastal ecotype evolution was relatively independent between the Atlantic and Pacific, but related between different regions within the Atlantic. We show that parallel adaptation to coastal habitat was facilitated by repeated selection on ancient alleles present as standing genetic variation in the pelagic populations. Genes under parallel adaptation to coastal habitats have roles in cognitive abilities and feeding. Therefore, parallel adaptation in long-lived social species may be driven by a combination of ecological opportunities, selection acting on ancient variants, and stable behavioural transmission of ecological specialisations. Tried and tested genetic variation that has been subject to repeated bouts of selection, may promote linked adaptive variants with minimal pleiotropic effects, thereby facilitating their persistence at low frequency in source populations and enabling parallel evolution.

Abstract Genomes of high latitude killer whales harbour signatures of post-glacial founding and expansion. Here, we investigate whether reduced efficacy of selection increased mutation load in founder populations, or whether recessive deleterious mutations exposed to selection in homozygous genotypes were purged. Comparing the accumulation of synonymous and non-synonymous mutations across pairs of globally sampled genomes reveals that the most significant outliers are high latitude North Atlantic genomes, which have accumulated significantly fewer non-synonymous mutations than all other populations. Comparisons with the genome of a 7.5-Kyr-old North Atlantic killer whale, inferred to be closely related to the population directly ancestral to present-day Icelandic and Norwegian populations, calibrates the timing of the action of selection on non-synonymous mutations predominantly to the mid-late Holocene. Non-synonymous mutations purged in modern Norwegian killer whale genomes are found as globally shared standing variation in heterozygote genotypes more often than expected, suggesting overdominance. Taken together, our findings are consistent with purging of recessive non-synonymous mutations exposed to selection in founder-associated homozygous genotypes.

Abstract Recent exploration into the interactions and relationship between hosts and their microbiota has revealed a connection between many aspects of the host’s biology, health and associated microorganisms. Whereas amplicon sequencing has traditionally been used to characterise the microbiome, the increasing number of published population genomics datasets offer an underexploited opportunity to study microbial profiles from the host shotgun sequencing data. Here, we use sequence data originally generated from killer whale Orcinus orca skin biopsies for population genomics, to characterise the skin microbiome and investigate how host social and geographic factors influence the microbial community composition. Having identified 845 microbial taxa from 2.4 million reads that did not map to the killer whale reference genome, we found that both ecotypic and geographic factors influence community composition of killer whale skin microbiomes. Furthermore, we uncovered key taxa that drive the microbiome community composition and showed that they are embedded in unique networks, one of which is tentatively linked to diatom presence and poor skin condition. Community composition differed between Antarctic killer whales with and without diatom coverage, suggesting that the previously reported episodic migrations of Antarctic killer whales to warmer waters associated with skin turnover may control the effects of potentially pathogenic bacteria such as Tenacibaculum dicentrarchi . Our work demonstrates the feasibility of microbiome studies from host shotgun sequencing data and highlights the importance of metagenomics in understanding the relationship between host and microbial ecology.

Abstract The impact of human mediated environmental change on the evolutionary trajectories of wild organisms is poorly understood. In particular, species’ capacity to adapt rapidly (in hundreds of generations or less), reproducibly and predictably to extreme environmental change is unclear. Silene uniflora is predominantly a coastal species, but it has also colonised isolated, disused mines with phytotoxic, zinc-contaminated soils. Here, we found that rapid parallel adaptation to anthropogenic pollution has taken place without geneflow spreading adaptive alleles between populations of the mine ecotype. Across replicate ecotype pairs, we identified shared targets of selection with functions linked to physiological differences between the ecotypes, although the genetic response is only partially shared between mine populations. Our results are consistent with a complex, polygenic genetic architecture underpinning rapid adaptation. This shows that even under a scenario of strong selection and rapid adaptation, evolutionary responses to human activities may be idiosyncratic at the genetic level and, therefore, difficult to predict from genomic data.

Abstract Chromosomal inversions can play an important role in divergence and reproductive isolation by building and maintaining distinct allelic combinations between evolutionary lineages. Alternatively, they can take the form of balanced polymorphisms that segregate within populations over time until one arrangement becomes fixed. Many questions remain about how these different inversion polymorphisms arise, how the mechanisms responsible for their long-term maintenance interact, and ultimately how they contribute to speciation. The long-snouted seahorse ( Hippocampus guttulatus ) is known to be subdivided into partially isolated lineages and marine-lagoon ecotypes differentiated by structural variation. Here, we aim to characterise these differences along the entire genome, and to reconstruct their history and role in ecotype formation. We generated a near chromosome-level reference genome assembly and described genome-wide patterns of diversity and divergence through the analysis of 112 whole-genome sequences from Atlantic, Mediterranean, and Black Sea populations. Combined with linked-read sequencing data, we found evidence for two megabase-scale chromosomal inversions showing contrasted allele frequency patterns across the species range. We reveal that these inversions represent ancient intraspecific polymorphisms, one being likely maintained by divergent selection, and the other by associative overdominance. Haplotype combinations characterising Mediterranean ecotypes also suggest the existence of potential interactions between the two inversions, possibly driven by environment-dependent fitness effects. Lastly, we detected gene flux eroding divergence between inverted alleles at varying levels between the two inversions, with a likely impact on their long-term dynamics.