Abstract Apes possess two sex chromosomes—the male-specific Y chromosome and the X chromosome, which is present in both males and females. The Y chromosome is crucial for male reproduction, with deletions being linked to infertility 1 . The X chromosome is vital for reproduction and cognition 2 . Variation in mating patterns and brain function among apes suggests corresponding differences in their sex chromosomes. However, owing to their repetitive nature and incomplete reference assemblies, ape sex chromosomes have been challenging to study. Here, using the methodology developed for the telomere-to-telomere (T2T) human genome, we produced gapless assemblies of the X and Y chromosomes for five great apes (bonobo ( Pan paniscus ), chimpanzee ( Pan troglodytes ), western lowland gorilla ( Gorilla gorilla gorilla ), Bornean orangutan ( Pongo pygmaeus ) and Sumatran orangutan ( Pongo abelii )) and a lesser ape (the siamang gibbon ( Symphalangus syndactylus )), and untangled the intricacies of their evolution. Compared with the X chromosomes, the ape Y chromosomes vary greatly in size and have low alignability and high levels of structural rearrangements—owing to the accumulation of lineage-specific ampliconic regions, palindromes, transposable elements and satellites. Many Y chromosome genes expand in multi-copy families and some evolve under purifying selection. Thus, the Y chromosome exhibits dynamic evolution, whereas the X chromosome is more stable. Mapping short-read sequencing data to these assemblies revealed diversity and selection patterns on sex chromosomes of more than 100 individual great apes. These reference assemblies are expected to inform human evolution and conservation genetics of non-human apes, all of which are endangered species.

Genomic resources across squamate reptiles (lizards and snakes) have lagged behind other vertebrate systems and high-quality reference genomes remain scarce. Of the 23 chromosome-scale reference genomes across the order, only 12 of the ~60 squamate families are represented. Within geckos (infraorder Gekkota), a species-rich clade of lizards, chromosome-level genomes are exceptionally sparse representing only two of the seven extant families. Using the latest advances in genome sequencing and assembly methods, we generated one of the highest quality squamate genomes to date for the leopard gecko, Eublepharis macularius (Eublepharidae). We compared this assembly to the previous, short-read only, E. macularius reference genome published in 2016 and examined potential factors within the assembly influencing contiguity of genome assemblies using PacBio HiFi data. Briefly, the read N50 of the PacBio HiFi reads generated for this study was equal to the contig N50 of the previous E. macularius reference genome at 20.4 kilobases. The HiFi reads were assembled into a total of 132 contigs, which was further scaffolded using HiC data into 75 total sequences representing all 19 chromosomes. We identified that 9 of the 19 chromosomes were assembled as single contigs, while the other 10 chromosomes were each scaffolded together from two or more contigs. We qualitatively identified that percent repeat content within a chromosome broadly affects its assembly contiguity prior to scaffolding. This genome assembly signifies a new age for squamate genomics where high-quality reference genomes rivaling some of the best vertebrate genome assemblies can be generated for a fraction previous cost estimates. This new E. macularius reference assembly is available on NCBI at JAOPLA010000000. The genome version and its associated annotations are also available via this Figshare repository https://doi.org/10.6084/m9.figshare.20069273 .

Abstract The sex chromosomes of the guppy, Poecilia reticulata , and its close relatives are of particular interest: they are much younger than the highly degenerate sex chromosomes of model systems such as mammals and Drosophila melanogaster , and they carry many of the genes responsible for the males’ dramatic coloration. Over the last decade, several studies have analyzed these sex chromosomes using a variety of approaches including sequencing genomes and transcriptomes, cytology, and linkage mapping. Conflicting conclusions have emerged, in particular concerning the history of the sex chromosomes and the evolution of suppressed recombination between the X and Y. Here we address these controversies by reviewing the evidence and reanalyzing data. We find no support for a nonrecombining sex determining region (SDR) or evolutionary strata in P. reticulata . Further, we find that the evidence most strongly support the hypothesis that the SDRs of P. picta and P. wingei evolved independently after those lineages diverged. We identify possible causes of conflicting results in previous studies and suggest best practices going forward.

Abstract In 2011, the first high-quality genome assembly of a squamate reptile (lizard or snake) was published for the green anole. Dozens of genome assemblies were subsequently published over the next decade, yet these assemblies were largely inadequate for answering fundamental questions regarding genome evolution in squamates due to their lack of contiguity or annotation. As the “genomics age” was beginning to hit its stride in many organismal study systems, progress in squamates was largely stagnant following the publication of the green anole genome. In fact, zero high-quality (chromosome-level) squamate genomes were published between the years 2012–2017. However, since 2018, an exponential increase in high-quality genome assemblies has materialized with 24 additional high-quality genomes published for species across the squamate tree of life. As the field of squamate genomics is rapidly evolving, we provide a systematic review from an evolutionary genomics perspective. We collated a near-complete list of publicly available squamate genome assemblies from more than half-a-dozen international and third-party repositories and systematically evaluated them with regard to their overall quality, phylogenetic breadth, and usefulness for continuing to provide accurate and efficient insights into genome evolution across squamate reptiles. This review both highlights and catalogs the currently available genomic resources in squamates and their ability to address broader questions in vertebrates, specifically sex chromosome and microchromosome evolution, while addressing why squamates may have received less historical focus and has caused their progress in genomics to lag behind peer taxa.

Abstract Comparative phylogeography explores the historical congruence of co-distributed species to understand the factors that led to their current genetic and phenotypic structures. Even species that span the same biogeographic barrier can exhibit different phylogeographic structures owing to differences in effective population sizes, marker bias, and dispersal abilities. The Baja California peninsula and adjacent desert regions include several biogeographic barriers that have left phylogeographic patterns in some but not all species. We found that mitochondrial DNA, single nuclear genes, and genome-wide SNP data sets show largely concordant phylogeographic patterns for four bird species along the Baja California peninsula and adjacent mainland: cactus wren, Gila woodpecker, California gnatcatcher, and LeConte’s thrasher. The cactus wren and LeConte’s thrasher show a concordant historical division at or near the Vizcaíno Desert in north-central Baja California, the Gila woodpecker appears to be at an intermediate stage of divergence, and the California gnatcatcher lacks notable phylogeographic structure. None of these four species are classified taxonomically in a way that captures their evolutionary history with the exception of the LeConte’s thrasher. We also present mtDNA data on small samples of ten other species that span the Vizcaíno Desert, with five showing no apparent division, and five species from the Sierra de la Laguna, all of which appear differentiated. Reasons for contrasting phylogeographic patterns should be explored further with genomic data to test the extent of concordant phylogeographic patterns. The evolutionary division at the Vizcaíno desert is well known in other vertebrate species, and our study further corroborates the extent, profound effect and importance of this biogeographic boundary. The areas north and south of the Vizcaíno Desert, which contains considerable diversity, should be recognized as historically significant areas for conservation.

Abstract In most animals, mitochondrial DNA is strictly maternally inherited and non-recombining. One exception to these assumptions is called doubly uniparental inheritance (DUI): a phenomenon involving the independent transmission of female and male mitochondrial genomes. DUI is known only from the molluscan class Bivalvia. The phylogenetic distribution of male mitochondrial DNA in bivalves is consistent with several evolutionary scenarios, including multiple independent gains, losses, and varying degrees of recombination with female mitochondrial DNA. In this study, we use phylogenetic methods to test male mitochondrial DNA origination hypotheses and infer the prevalence of mitochondrial recombination in bivalves with DUI. Phylogenetic modeling using site concordance factors supported a single origin of male mitochondrial DNA in bivalves coupled with recombination acting over long evolutionary timescales. Ongoing mitochondrial recombination is present in Mytilida and Venerida, which results in a pattern of concerted evolution of female and male mitochondrial DNA. Mitochondrial recombination could be favored to offset the deleterious effects of asexual inheritance and maintain mitonuclear compatibility across tissues. Cardiida and Unionida have gone without recent recombination, possibly due to an extension of the COX2 gene in male mitochondrial DNA. The loss of recombination may be neutral but could be connected to the role of M mtDNA in sex determination or sexual development. Our results support recombination events in DUI species may occur throughout their genomes. Future investigations may reveal more complex patterns of inheritance of recombinants, which could explain the retention of signal for a single origination of male mitochondrial DNA in protein coding genes.

Abstract Over the past 30 years, a community of scientists have pieced together every base pair of the human reference genome from telomere-to-telomere. Interestingly, most human genomics studies omit more than 5% of the genome from their analyses. Under ‘normal’ circumstances, omitting any chromosome(s) from analysis of the human genome would be reason for concern—the exception being the sex chromosomes. Sex chromosomes in eutherians share an evolutionary origin as an ancestral pair of autosomes. In humans, they share three regions of high sequence identity (~98-100%), which—along with the unique transmission patterns of the sex chromosomes—introduce technical artifacts into genomic analyses. However, the human X chromosome bears numerous important genes—including more “immune response” genes than any other chromosome—which makes its exclusion irresponsible when sex differences across human diseases are widespread. To better characterize the effect that including/excluding the X chromosome may have on variants called, we conducted a pilot study on the Terra cloud platform to replicate a subset of standard genomic practices using both the CHM13 reference genome and sex chromosome complement-aware (SCC-aware) reference genome. We compared quality of variant calling, expression quantification, and allele-specific expression using these two reference genome versions across 50 human samples from the Genotype-Tissue-Expression consortium annotated as females. We found that after correction, the whole X chromosome (100%) can generate reliable variant calls—allowing for the inclusion of the whole genome in human genomics analyses as a departure from the status quo of omitting the sex chromosomes from empirical and clinical genomics studies.

Reptiles exhibit a variety of modes of sex determination, including both temperature-dependent and genetic mechanisms. Among those species with genetic sex determination, sex chromosomes of varying heterogamety (XX/XY and ZZ/ZW) have been observed with different degrees of differentiation. Karyotype studies have demonstrated that Gila monsters (Heloderma suspectum) have ZZ/ZW sex determination and this system is likely homologous to the ZZ/ZW system in the Komodo dragon (Varanus komodoensis), but little else is known about their sex chromosomes. Here, we report the assembly and analysis of the Gila monster genome. We generated a de novo draft genome assembly for a male using 10X Genomics technology. We further generated and analyzed short-read whole genome sequencing and whole transcriptome sequencing data for three males and three females. By comparing female and male genomic data, we identified four putative Z-chromosome scaffolds. These putative Z-chromosome scaffolds are homologous to Z-linked scaffolds identified in the Komodo dragon. Further, by analyzing RNAseq data, we observed evidence of incomplete dosage compensation between the Gila monster Z chromosome and autosomes and a lack of balance in Z-linked expression between the sexes. In particular, we observe lower expression of the Z in females (ZW) than males (ZZ) on a global basis, though we find evidence suggesting local gene-by-gene compensation. This pattern has been observed in most other ZZ/ZW systems studied to date and may represent a general pattern for female heterogamety in vertebrates.

Abstract Although sex determination is ubiquitous in vertebrates, mechanisms of sex determination vary from environmentally-to genetically-influenced. In vertebrates, genetic sex determination is typically accomplished with sex chromosomes. Groups like mammals maintain conserved sex chromosome systems, while sex chromosomes in most vertebrate clades aren’t conserved across similar evolutionary timescales. One group inferred to have an evolutionarily stable mode of sex determination is Anguimorpha, a clade of charismatic taxa including: monitor lizards, Gila monsters, and crocodile lizards. The common ancestor of extant anguimorphs possessed a ZW system that has been retained across the clade. However, the sex chromosome system in the endangered, monotypic family of crocodile lizards (Shinisauridae) has remained elusive. Here, we analyze genomic data to demonstrate that Shinisaurus has replaced the ancestral anguimorph ZW system on LG7 chromosome with a novel ZW system on LG3. The linkage group LG3 corresponds to chromosome 9 in chicken, and this is the first documented use of this syntenic block as a sex chromosome in amniotes. Additionally, this ∼1Mb region harbors approximately 10 genes, including a duplication of the sex-determining transcription factor, Foxl2 —critical for the determination and maintenance of sexual differentiation in vertebrates, and thus a putative primary sex determining gene for Shinisaurus .

Abstract Sex chromosomes have evolved many times across eukaryotes, indicating both their importance and their evolutionary flexibility. Some vertebrate groups, such as mammals and birds, have maintained a single, conserved sex chromosome system across long evolutionary time periods. By contrast, many reptiles, amphibians, and fish have undergone frequent sex chromosome transitions, most of which remain to be catalogued. Among reptiles, gecko lizards (infraorder Gekkota) have shown an exceptional lability with regard to sex chromosome transitions and may possess the majority of transitions within squamates (lizards and snakes). However—across geckos—information about sex chromosome linkage is expressly lacking, leaving large gaps in our understanding of the evolutionary processes at play in this system. To address this gap, we assembled the first chromosome-level genome for a gecko and use this linkage information to survey six Sphaerodactylus species using a variety of genomic data, including whole-genome re-sequencing, RADseq, and RNAseq. Previous work has identified XY systems in two species of Sphaerodactylus geckos. We expand upon that work to identify between two and four sex chromosome cis -transitions (XY to XY) within the genus. Interestingly, we confirmed two linkage groups as XY sex chromosome systems that were previously unknown to act as sex chromosomes in tetrapods (syntenic with Gallus 3 and Gallus 18/30/33). We highlight the increasing evidence that most (if not all) linkage groups will likely be identified as a sex chromosome in future studies given thorough enough sampling.