ABSTRACT Obligately parthenogenetic species are expected to be short lived since the lack of sex and recombination should translate into a slower adaptation rate and increased accumulation of deleterious alleles. Some, however, are thought to have been reproducing without males for millions of years. It is not clear how these old parthenogens can escape the predicted long-term costs of parthenogenesis, but an obvious explanation is cryptic sex. In this study we screen for signatures of cryptic sex in eight populations of four parthenogenetic species of Timema stick insects, some estimated to be older than 1M yrs. Low genotype diversity, homozygosity of individuals and high linkage disequilibrium (LD) unaffected by marker distances support exclusively parthenogenetic reproduction in six populations. However, in two populations (namely, of the species Timema douglasi and T. monikensis ) we find strong evidence for cryptic sex, most likely mediated by rare males. These populations had comparatively high genotype diversities, lower LD, and a clear LD decay with genetic distance. Rare sex in species that are otherwise largely parthenogenetic could help explain the unusual success of parthenogenesis in the Timema genus and raises the question whether episodes of rare sex are in fact the simplest explanation for the persistence of many old parthenogens in nature.

Abstract DNA methylation of cytosine residues across the genome influences how genes and phenotypes are regulated in a wide range of organisms. As such, understanding the role of DNA methylation and other epigenetic mechanisms has become very much a part of mapping genotype to phenotype, a major question in evolutionary biology. Ideally, we would like to manipulate DNA methylation patterns on a genome-wide scale, to help us to elucidate the role that epigenetic modifications play in phenotypic expression. Recently, the demethylating agent 5-aza-2’-deoxycytidine (5-aza-dC; commonly used in the epigenetic treatment of certain cancers), has been deployed to explore the epigenetic regulation of a number of traits of interest to evolutionary ecologists, including facultative sex allocation in the parasitoid wasp Nasonia vitripennis . In a recent study, we showed that treatment with 5-aza-dC did not ablate the facultative sex allocation response in Nasonia , but shifted the patterns of sex allocation in a way predicted by genomic conflict theory. This was the first (albeit indirect) experimental evidence for genomic conflict over sex allocation facilitated by DNA methylation. However, that work lacked direct evidence of the effects of 5-aza-dC on DNA methylation, and indeed the effect of the chemical has since been questioned in Nasonia . Here, using whole-genome bisulphite sequencing of more than 4 million CpGs, across more than 11,000 genes, we demonstrate unequivocally that 5-aza-dC disrupts methylation on a large scale across the Nasonia vitripennis genome. We show that the disruption can lead to both hypo- and hyper-methylation, may vary across tissues and time of sampling, and that the effects of 5-aza-dC are context- and sequence specific. We conclude that 5-aza-dC does indeed have the potential to be repurposed as a tool for studying the role of DNA methylation in evolutionary ecology, whilst many details of its action remain to be discovered. Author Summary Shedding light on the mechanistic basis of phenotypes is a major aim in the field of evolutionary biology. If we understand how phenotypes are controlled at the molecular level, we can begin to understand how evolution has shaped that phenotype and conversely, how genetic architecture may constrain trait evolution. Epigenetic markers (such as DNA methylation) also influence phenotypic expression by regulating how and when genes are expressed. Recently, 5-aza-2’-deoxycytidine (5-aza-dC), a hypomethylating agent used in the treatment of certain cancers, has been used to explore the epigenetic regulation of traits of interest to evolutionary ecologists. Previously, we used 5-aza-dC to validate a role for DNA methylation in facultative sex allocation behaviour in the parasitoid wasp Nasonia vitripennis . However, the direct effects of the chemical were not examined at that point and its efficacy in insects was questioned. Here, we demonstrate that 5-aza-dC disrupts DNA methylation on a genome-wide scale in a context- and sequence-specific manner and results in both hypo- and hyper-methylation. Our work demonstrates that 5-aza-dC has the potential to be repurposed as a tool for studying the role of DNA methylation in phenotypic expression.

Abstract The shift from sexual reproduction to parthenogenesis has occurred repeatedly in animals, but how the loss of sex affects genome evolution remains poorly understood. We generated de novo reference genomes for five independently evolved parthenogenetic species in the stick insect genus Timema and their closest sexual relatives. Using these references in combination with population genomic data, we show that parthenogenesis results in an extreme reduction of heterozygosity, and often leads to genetically uniform populations. We also find evidence for less effective positive selection in parthenogenetic species, supporting the view that sex is ubiquitous in natural populations because it facilitates fast rates of adaptation. Contrary to studies of non-recombining genome portions in sexual species, genomes of parthenogenetic species do not accumulate transposable elements (TEs), likely because successful parthenogens derive from sexual ancestors with inactive TEs. Because we are able to conduct replicated comparisons across five species pairs, our study reveals, for the first time, how animal genomes evolve in the absence of sex in natural populations, providing empirical support for the negative consequences of parthenogenetic reproduction as predicted by theory.

Abstract Transitions from obligate sex to obligate parthenogenesis have occurred repeatedly across the tree of life. Whether these transitions occur abruptly or via a transient phase of facultative parthenogenesis is rarely known. We discovered and characterised facultatively parthenogenetic populations of the North American stick insect Timema douglasi , a species in which only obligately parthenogenetic populations were known so far. These populations comprised three genetic lineages. Females from all lineages were capable of parthenogenesis (with variable efficiency) but their propensity to reproduce sexually after mating varied extensively. In all three lineages, parthenogenesis resulted in the complete loss of heterozygosity in a single generation. Obligately parthenogenetic Timema have also lost all heterozygosity, suggesting that the transition to obligate parthenogenesis did not require a modification of the proximate mechanism, but rather involved a gradual increase in frequency. We speculate that facultative parthenogenesis may often be transient and be replaced by obligate strategies (either sex or parthenogenesis) because of a trade-off between the efficiency of the two reproductive modes. Such a trade-off could help explain why facultative parthenogenesis is rare among animals, despite its potential to combine the known benefits of sex and parthenogenesis.

ABSTRACTS Ostracods are one of the oldest crustacean groups with an excellent fossil record and high importance for phylogenetic analyses but genome resources for this class are still lacking. We have successfully assembled and annotated the first reference genomes for three species of non-marine ostracods; two with obligate sexual reproduction ( Cyprideis torosa and Notodromas monacha ) and the putative ancient asexual Darwinula stevensoni . This kind of genomic research has so far been impeded by the small size of most ostracods and the absence of genetic resources such as linkage maps or BAC libraries that were available for other crustaceans. For genome assembly, we used an Illumina-based sequencing technology, resulting in assemblies of similar sizes for the three species (335-382Mb) and with scaffold numbers and their N50 (19-56 kb) in the same orders of magnitude. Gene annotations were guided by transcriptome data from each species. The three assemblies are relatively complete with BUSCO scores of 92-96%, and thus exceed the quality of several other published crustacean genomes obtained with similar techniques. The number of predicted genes (13,771-17,776) is in the same range as Branchiopoda genomes but lower than in most malacostracan genomes. These three reference genomes from non-marine ostracods provide the urgently needed basis to further develop ostracods as models for evolutionary and ecological research.

Abstract Organisms can plastically alter resource allocation in response to changing environmental factors. For example, in harsh conditions organisms are expected to shift investment from reproduction towards survival, however, the factors and mechanisms that govern the magnitude of such shifts are relatively poorly studied. Here we compared the impact of cold on males and females of the highly cold-tolerant species Drosophila montana at the phenotypic and transcriptomic levels. Although both sexes showed similar changes in cold tolerance and gene expression in response to cold treatment, indicating that the majority of changes are concordant between the sexes, we identified a clear reduction in sexually dimorphic gene expression, suggesting that preparing for colder season also involves reducing investment in sex-specific traits. This reduction was larger in males than females, as expected if male sexual traits are more condition-dependent than female traits, as predicted by theory. Gene expression changes were primarily associated with shifts in metabolic profile which likely play a role in increasing cold tolerance. Finally, we found that the expression of immune genes was reduced following cold treatment, suggesting that reduced investment in immunity may be important in helping flies survive colder periods.

The genomes of species that are ecological specialists will likely contain signatures of genomic adaptation to their niche. However, distinguishing genes related to ecological specialism from other sources of selection and more random changes is a challenge. Here we describe the genome of Drosophila montana, which is the most extremely cold-adapted Drosophila species. We use branch tests to identify genes showing accelerated divergence in contrasts between cold- and warm adapted species and identify about 250 genes that show differences, possibly driven by a lower synonymous substitution rate in cold-adapted species. We look for evidence of accelerated divergence between D. montana and D. virilis, a previously sequenced relative, and do not find strong evidence for divergent selection on coding sequence variation. Divergent genes are involved in a variety of functions, including cuticular and olfactory processes. We also re-sequenced three populations of D. montana from its ecological and geographic range. Outlier loci were more likely to be found on the X chromosome and there was a greater than expected overlap between population outliers and those genes implicated in cold adaptation between Drosophila species, implying some continuity of selective process at these different evolutionary scales.

The factors contributing to the maintenance of sex over asexuality in natural populations remain largely unknown. Ecological divergences between lineages with different reproductive modes could help to maintain reproductive polymorphisms, at least transiently, but there is little empirical information on the consequences of asexuality for the evolution of ecological niches. Here, we investigated how niche breadths evolve following transitions from sexual reproduction to asexuality. We estimated and compared the realized feeding niche breadths of five independently derived asexual Timema stick insect species and their sexual relatives. We found that asexual species had a systematically narrower realized niche than sexual species. To investigate how the narrower realized niches of asexual versus sexual species come about, we quantified the breadth of their fundamental niches but found no systematic differences between reproductive modes. The narrow realized niches found in asexuals are therefore likely a consequence of biotic interactions that constrain realized niche size in asexuals more strongly than in sexuals. Interestingly, the fundamental niche was broader in the oldest asexual species compared to its sexual relative. This broad ecological tolerance may help explain how this species has persisted over more than a million years in absence of sex.

Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is a multisystemic genetic disorder caused by a CTG trinucleotide repeat expansion in the 3′ untranslated region of DMPK gene. Heart dysfunctions occur in nearly 80% of DM1 patients and are the second leading cause of DM1-related deaths. Despite these figures, the mechanisms underlying cardiac-based DM1 phenotypes are unknown. Herein, we report that upregulation of a non-muscle splice isoform of RNA binding protein RBFOX2 in DM1 heart tissue, due to altered splicing factor and microRNA activities, induces cardiac conduction defects in DM1 individuals. Mice engineered to express the non-muscle RBFOX2 isoform in heart via tetracycline-inducible transgenesis, or CRISPR/Cas9-mediated genome editing, reproduced DM1-related cardiac-conduction delay and spontaneous episodes of arrhythmia. Further, by integrating RNA binding with cardiac transcriptome datasets from both DM1 patients and mice expressing the non-muscle RBFOX2 isoform, we identified RBFOX2-driven splicing defects in the voltage-gated sodium and potassium channels, which can alter their electrophysiological properties. Thus, our results uncover a trans-dominant role for an aberrantly expressed RBFOX2 isoform in DM1 cardiac pathogenesis.

ABSTRACT Centromeres are specialized genomic regions that are critical for chromosome segregation in eukaryotes. However, how the diversity of centromeres evolved, ranging from localized centromeres in monocentric species to complex chromosome-wide distributed centromere regions in holocentric species, remains elusive. Our cellular and genomic analyses in Timema stick insects reveal that within cell variation of the major centromere protein CenH3 recapitulates the variation typically observed across species. While CenH3-containing nucleosomes are distributed in a monocentric fashion on autosomes and bind tandem repeat sequences specific to individual or small groups of chromosomes, they exhibit a holocentric-like distribution on the sex chromosome and bind to more complex intergenic regions. Despite this contrasting distribution, all chromosomes, including the sex chromosome, attach to spindle microtubules at a single location, marking the first instance of a functionally monocentric species with holocentric-like attributes. Together, our findings highlight the potential for gradual transitions towards holocentricity or CenH3-independent centromere determination, and help to understand the rapid centromere sequence divergence between species.