Abstract Genetic recombination is a key molecular mechanism that has profound implications on both micro- and macro-evolutionary processes. However, the determinants of recombination rate variation in holocentric organisms are poorly understood, in particular in Lepidoptera (moths and butterflies). The wood white butterfly ( Leptidea sinapis ) shows considerable intraspecific variation in chromosome numbers and is a suitable system for studying regional recombination rate variation and its potential molecular underpinnings. Here, we developed a large wholegenome resequencing data set from a population of wood whites to obtain high-resolution recombination maps using linkage disequilibrium information. The analyses revealed that larger chromosomes had a bimodal recombination landscape, potentially due to interference between simultaneous chiasmata. The recombination rate was significantly lower in subtelomeric regions, with exceptions associated with segregating chromosome rearrangements, showing that fissions and fusions can have considerable effects on the recombination landscape. There was no association between the inferred recombination rate and base composition, supporting a negligible influence of GC-biased gene conversion in butterflies. We found significant but variable associations between the recombination rate and the density of different classes of transposable elements (TEs), most notably a significant enrichment of SINEs in genomic regions with higher recombination rate. Finally, the analyses unveiled significant enrichment of genes involved in farnesyltranstransferase activity in recombination cold-spots, potentially indicating that expression of transferases can inhibit formation of chiasmata during meiotic division. Our results provide novel information about recombination rate variation in holocentric organisms and has particular implications for forthcoming research in population genetics, molecular/genome evolution and speciation.

Abstract Gene family expansions and crossing over are two main mechanisms for the generation of novel genetic variants that can be picked up by natural selection. Here, we developed a high-density, pedigree-based linkage map of the painted lady butterfly ( Vanessa cardui ) – a non-diapausing, highly polyphagous species famous for its long-distance migratory behavior. We also performed detailed annotations of genes and interspersed repetitive elements for a previously developed genome assembly, characterized species-specific gene family expansions and the relationship between recombination rate variation and genomic features. Identified expanded gene families consisted of clusters of tandem duplications with functions associated with protein and fat metabolism, detoxification, and defense against infection - key functions for the painted lady’s unique lifestyle. The detailed assessment of recombination rate variation demonstrated a negative association between recombination rate and chromosome size. Moreover, the recombination landscape along the holocentric chromosomes was bimodal. The regional recombination rate was positively associated with the proportion of short interspersed elements (SINEs), but not the other repeat classes, potentially a consequence of SINEs hijacking the recombination machinery for proliferation. The detailed genetic map developed here will contribute to the understanding of the mechanisms and evolutionary consequences of recombination rate variation in Lepidoptera in general. We conclude that the structure of the painted lady genome has been shaped by a complex interplay between recombination, gene duplications and TE-activity and that specific gene family expansions have been key for the evolution of long-distance migration and the ability to utilize a wide range of host plants.

Abstract Karyotypes are generally conserved between closely related species and large chromosome rearrangements typically have negative fitness consequences in heterozygotes, potentially driving speciation. In the order Lepidoptera, most investigated species have the ancestral karyotype and gene synteny is often conserved across deep divergence, although examples of extensive genome reshuffling have recently been demonstrated. The genus Leptidea has an unusual level of chromosome variation and rearranged sex chromosomes, but the extent of restructuring across the rest of the genome is so far unknown. To explore the genomes of the wood white ( Leptidea ) species complex, we generated eight genome assemblies using a combination of 10X linked reads and HiC data, and improved them using linkage maps for two populations of the common wood white ( L. sinapis ) with distinct karyotypes. Synteny analysis revealed an extensive amount of rearrangements, both compared to the ancestral karyotype and between the Leptidea species, where only one of the three Z chromosomes was conserved across all comparisons. Most restructuring was explained by fissions and fusions, while translocations appear relatively rare. We further detected several examples of segregating rearrangement polymorphisms supporting a highly dynamic genome evolution in this clade. Fusion breakpoints were enriched for LINEs and LTR elements, which suggests that ectopic recombination might be an important driver in the formation of new chromosomes. Our results show that chromosome count alone may conceal the extent of genome restructuring and we propose that the amount of genome evolution in Lepidoptera might still be underestimated due to lack of taxonomic sampling.

Abstract Reshuffling of genetic variation occurs both by independent assortment of chromosomes and by homologous recombination. Such reshuffling can generate novel allele combinations and break linkage between advantageous and deleterious variants which increases both the potential and the efficacy of natural selection. Here we used high-density linkage maps to characterize global and regional recombination rate variation in two populations of the wood white butterfly ( Leptidea sinapis ) with distinct karyotypes. The recombination data were compared to estimates of genetic diversity and measures of selection to assess the relationship between chromosomal rearrangements, crossing over, maintenance of genetic diversity and adaptation. Our data show that the recombination rate is influenced by both chromosome size and number, but that the difference in recombination rate between karyotypes is reduced as a consequence of a higher frequency of double crossovers in larger chromosomes. As expected from effects of selection on linked sites, we observed an overall positive association between recombination rate and genetic diversity in both populations. Our results also revealed a significant effect of chromosomal rearrangements on the rate of intergenic diversity change between populations, but limited effects on polymorphisms in coding sequence. We conclude that chromosomal rearrangements can have considerable effects on the recombination landscape and consequently influence both maintenance of genetic diversity and efficiency of selection in natural populations. Author summary Reshuffling genetic variation is fundamental for maintaining genetic diversity and creating novel allelic combinations. The two main processes involved are the independent assortment of chromosomes and homologous recombination. The number and size of chromosomes can influence the amount of pairwise reshuffling and local recombination patterns. However, studying this in natural populations is challenging. In this study, we used the wood white butterfly, which exhibits an extreme within-species karyotype difference. Extensive fusions and fissions have resulted in almost twice as many chromosomes in the southern populations compared to the northeast populations. This unique system allowed us to assess the relationship between karyotype differences, pairwise reshuffling, recombination rate variation and subsequent effects on diversity and linked selection. We found that a higher number of chromosomes result in a higher recombination rate, although the difference was less than expected due to multiple recombination events occuring on longer chromosomes. Both populations showed an association between recombination rate and genome-wide patterns of genetic diversity and efficacy of selection. We provide evidence that chromosomal rearrangements have considerable effects on the recombination landscape and thereby influence the maintenance of genetic diversity in populations.

Migration is a complex behavior involving the synchronisation of many physiological and behavioral processes. Environmental cues must thus be interpreted to make decisions regarding resource allocation between, for example, migration or reproduction. In butterflies, the lack of host plants to sustain a new generation may indicate the need to migrate. Here, we used the painted lady butterfly ( Vanessa cardui ) as a model to characterize gene expression variation in response to host plant availability. Assessment of the response to host plant availability in adult female butterflies revealed significant modifications in gene expression, particularly within hormonal pathways (ecdysone oxidase and juvenile hormone esterase). We therefore hypothesize that tuning the ecdysone pathway may play a crucial role in regulating the timing of migration and reproduction in adult female painted lady butterflies. In addition, our analysis revealed significant enrichment of genes associated with lipid, carbohydrate, and vitamin biosynthesis, as well as the immune response. As environmental acquisition occurs throughout the life cycle, we also tracked gene expression responses to two other environmental cues across major developmental stages. Differences in both larval crowding and host plant availability during development resulted in significant changes in the expression of genes involved in development, reproduction and metabolism, particularly at the instar V larval stage. In summary, our results offer novel insights into how environmental cues affect expression profiles in migratory insects and highlight candidate genes that may underpin the migratory syndrome in the painted lady butterfly.

Chromosomal rearrangements, such as inversions, have received considerable attention in the speciation literature due to their hampering effects on recombination. However, less is known about how other rearrangements, such as chromosome fissions and fusions, can affect the evolution of reproductive isolation. Here, we used crosses between populations of the wood white butterfly (Leptidea sinapis) with different karyotypes to identify genomic regions associated with hybrid inviability. By contrasting allele frequencies between F2 hybrids that survived until adulthood with individuals of the same cohort that succumbed to hybrid incompatibilities, we show that candidate loci for hybrid inviability mainly are situated in fast-evolving regions with reduced recombination rates, especially in regions where chromosome fusions have occurred. Our results show that the extensive variation in chromosome numbers observed across the tree of life can be involved in speciation by being hotspots for the early evolution of postzygotic reproductive isolation.