Abstract Species frequently differ in karyotype, but heterokaryotypic individuals may suffer from reduced fitness. Chromosomal rearrangements like fissions and fusions can thus serve as a mechanism for speciation between incipient lineages but their evolution poses a paradox. How does underdominant rearrangements evolve? One solution is the fixation of underdominant chromosomal rearrangements through genetic drift. However, this requires small and isolated populations. Fixation is more likely if a novel rearrangement is favored by a transmission bias, such as meiotic drive. Here, we investigate transmission ratio distortion in hybrids between two wood white ( Leptidea sinapis ) butterfly populations with extensive karyotype differences. Using data from two different crossing experiments, we uncover a transmission bias favoring the fused state at chromosome with unknown polarization in one experiment and a transmission bias favoring the unfused state of derived fusions in both experiments. The latter result support a scenario where chromosome fusions can fix in populations despite counteracting effects of meiotic drive. This means that meiotic drive not only can promote runaway chromosome number evolution and speciation, but also that this transmission bias can be a conservative force acting against karyotypic change and the evolution of reproductive isolation. Based on our results, we suggest a mechanistic model for why derived fusions may be opposed by meiotic drive and discuss factors contributing to karyotype evolution in Lepidoptera.

Abstract Background Regulation of transcription by DNA methylation in 5’-CpG-3’ context is a widespread mechanism allowing differential expression of genetically identical cells to persist throughout development. Consequently, differences in DNA methylation can reinforce variation in gene expression among cells, tissues, populations, and species. Despite a surge in studies on DNA methylation, we know little about the importance of DNA methylation in population differentiation and speciation. Here we investigate the regulatory and evolutionary impact of DNA methylation in five tissues of two Ficedula flycatcher species and their naturally occurring F 1 hybrids. Results We show that the density of CpG in the promoters of genes determines the strength of the association between DNA methylation and gene expression. The impact of DNA methylation on gene expression varies among tissues with the brain showing unique patterns. Differentially expressed genes between parental species are predicted by genetic and methylation differentiation in CpG-rich promoters. However, both these factors fail to predict hybrid misexpression suggesting that promoter mismethylation is not a main determinant of hybrid misexpression in Ficedula flycatchers. Using allele-specific methylation estimates in hybrids, we also determine the genome-wide contribution of cis- and trans effects in DNA methylation differentiation. These distinct mechanisms are roughly balanced in all tissues except the brain, where trans differences predominate. Conclusions Overall, this study provides insight on the regulatory and evolutionary impact of DNA methylation in songbirds.

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.

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.

Abstract Seasonal environmental fluctuations provide formidable challenges for living organisms, especially small ectotherms such as butterflies. A common strategy to cope with harsh environments is to enter diapause, but some species avoid the unsuitable conditions by migrating. Despite a growing understanding of migration in the life cycles of some butterfly species, it is unknown how individuals register and store environmental cues to determine whether and where to migrate. Here, we explored how competition and host plant availability during larval development affect patterns of DNA methylation in the migratory painted lady ( Vanessa cardui ) butterfly. We identify a set of potentially functional methylome shifts associated with differences in the environment, indicating that DNA methylation is involved in the response to different conditions during larval development. By analysing the transcriptome for the same samples used for methylation profiling, we also uncovered a non-linear relationship between gene body methylation and gene expression. Our results provide a starting point for understanding the interplay between DNA methylation and gene expression in butterflies in general and how differences in environmental conditions during development can trigger unique epigenetic marks that might be important for behavioural decisions in the adult stage.

Abstract Recombination reshuffles the alleles of a population through crossover and gene conversion. These mechanisms have considerable consequences on the evolution and maintenance of genetic diversity. Crossover, for example, can increase genetic diversity by breaking the linkage between selected and nearby neutral variants. Bias in favor of G or C alleles during gene conversion may instead promote the fixation of one allele over the other, thus decreasing diversity. Mutation bias from G or C to A and T opposes GC-biased gene conversion (gBGC). Less recognized is that these two processes may –when balanced– promote genetic diversity. Here we investigate how gBGC and mutation bias shape genetic diversity patterns in wood white butterflies ( Leptidea sp.). This constitutes the first in-depth investigation of gBGC in butterflies. Using 60 re-sequenced genomes from six populations of three species, we find substantial variation in the strength of gBGC across lineages. When modeling the balance of gBGC and mutation bias and comparing analytical results with empirical data, we reject gBGC as the main determinant of genetic diversity in these butterfly species. As alternatives, we consider linked selection and GC content. We find evidence that high values of both reduce diversity. We also show that the joint effects of gBGC and mutation bias can give rise to a diversity pattern which resembles the signature of linked selection. Consequently, gBGC should be considered when interpreting the effects of linked selection on levels of genetic diversity.

Regulation of transcription by DNA methylation in 5'-CpG-3' context is a widespread mechanism allowing differential expression of genetically identical cells to persist throughout development. Consequently, differences in DNA methylation can reinforce variation in gene expression among cells, tissues, populations and species. Despite a surge in studies on DNA methylation, we know little about the importance of DNA methylation in population differentiation and speciation. Here we investigate the regulatory and evolutionary impact of DNA methylation in five tissues of two Ficedula flycatcher species and their naturally occurring F1 hybrids. We show that the density of CpG in the promoters of genes determines the strength of the association between gene expression and DNA methylation. The impact of DNA methylation on gene expression varies among tissues with brain showing unique patterns. Differentially expressed genes between parental species are predicted by genetic- and methylation differentiation in CpG-rich promoters. However, both these factors fail to predict hybrid misexpression suggesting that promoter mismethylation is not a main determinant of hybrid misexpression in Ficedula flycatchers. Using allele-specific methylation estimates in hybrids we also determine the genome-wide contribution of cis- and trans effects in DNA methylation differentiation. These distinct mechanisms are roughly balanced in all tissues except brain, where trans differences predominate. Overall, this study provides insight on the regulatory and evolutionary impact of DNA methylation in songbirds.