Major animal clades evolved tens of millions of years before the widespread appearance of animal fossils.

The evolutionary emergence of land plant body plans transformed the planet. However, our understanding of this formative episode is mired in the uncertainty associated with the phylogenetic relationships among bryophytes (hornworts, liverworts, and mosses) and tracheophytes (vascular plants). Here we attempt to clarify this problem by analyzing a large transcriptomic dataset with models that allow for compositional heterogeneity between sites. Zygnematophyceae is resolved as sister to land plants, but we obtain several distinct relationships between bryophytes and tracheophytes. Concatenated sequence analyses that can explicitly accommodate site-specific compositional heterogeneity give more support for a mosses-liverworts clade, "Setaphyta," as the sister to all other land plants, and weak support for hornworts as the sister to all other land plants. Bryophyte monophyly is supported by gene concatenation analyses using models explicitly accommodating lineage-specific compositional heterogeneity and analyses of gene trees. Both maximum-likelihood analyses that compare the fit of each gene tree to proposed species trees and Bayesian supertree estimation based on gene trees support bryophyte monophyly. Of the 15 distinct rooted relationships for embryophytes, we reject all but three hypotheses, which differ only in the position of hornworts. Our results imply that the ancestral embryophyte was more complex than has been envisaged based on topologies recognizing liverworts as the sister lineage to all other embryophytes. This requires many phenotypic character losses and transformations in the liverwort lineage, diminishes inconsistency between phylogeny and the fossil record, and prompts re-evaluation of the phylogenetic affinity of early land plant fossils, the majority of which are considered stem tracheophytes.

Abstract With over 380,000 described species and possibly several million more yet unnamed, beetles represent the most biodiverse animal order. Recent phylogenomic studies have arrived at considerably incongruent topologies and widely varying estimates of divergence dates for major beetle clades. Here we use a dataset of 68 single-copy nuclear protein coding genes sampling 129 out of the 194 recognized extant families as well as the first comprehensive set of fully-justified fossil calibrations to recover a refined timescale of beetle evolution. Using phylogenetic methods that counter the effects of compositional and rate heterogeneity we recover a topology congruent with morphological studies, which we use, combined with other recent phylogenomic studies, to propose several formal changes in the classification of Coleoptera: Scirtiformia and Scirtoidea sensu nov ., Clambiformia ser. nov. and Clamboidea sensu nov. , Rhinorhipiformia ser. nov ., Byrrhoidea sensu nov. , Dryopoidea stat. res. , Nosodendriformia ser. nov. , and Staphyliniformia sensu nov ., alongside changes below the superfamily level. The heterogeneous former superfamily Cucujoidea is divided into three monophyletic groups: Erotyloidea stat. nov ., Nitiduloidea stat. nov ., and Cucujoidea sensu nov. Our divergence time analysis recovered an evolutionary timescale congruent with the fossil record: a late Carboniferous origin of Coleoptera, a late Paleozoic origin of all modern beetle suborders, and a Triassic–Jurassic origin of most extant families. While fundamental divergences within beetle phylogeny did not coincide with the hypothesis of a Cretaceous Terrestrial Revolution, many polyphagan superfamilies exhibited increases in richness with Cretaceous flowering plants.

Abstract The nature of the last universal common ancestor (LUCA), its age and its impact on the Earth system have been the subject of vigorous debate across diverse disciplines, often based on disparate data and methods. Age estimates for LUCA are usually based on the fossil record, varying with every reinterpretation. The nature of LUCA’s metabolism has proven equally contentious, with some attributing all core metabolisms to LUCA, whereas others reconstruct a simpler life form dependent on geochemistry. Here we infer that LUCA lived ~4.2 Ga (4.09–4.33 Ga) through divergence time analysis of pre-LUCA gene duplicates, calibrated using microbial fossils and isotope records under a new cross-bracing implementation. Phylogenetic reconciliation suggests that LUCA had a genome of at least 2.5 Mb (2.49–2.99 Mb), encoding around 2,600 proteins, comparable to modern prokaryotes. Our results suggest LUCA was a prokaryote-grade anaerobic acetogen that possessed an early immune system. Although LUCA is sometimes perceived as living in isolation, we infer LUCA to have been part of an established ecological system. The metabolism of LUCA would have provided a niche for other microbial community members and hydrogen recycling by atmospheric photochemistry could have supported a modestly productive early ecosystem.

Abstract Opsin receptors mediate the visual process in animals and their evolutionary history can provide precious hints on the ecological factors that underpin their diversification. Here we mined the genomes of more than 60 Dipteran species and reconstructed the evolution of their opsin genes in a phylogenetic framework. Our phylogenies indicate that dipterans possess an ancestral set of five core opsins which have undergone several lineage-specific events including an independent expansion of low wavelength opsins in flies and mosquitoes and numerous family specific duplications and losses. Molecular evolutionary studies indicate that gene turnover rate, overall mutation rate, and site-specific selective pressure are higher in Anopheles than in Drosophila ; we found signs of positive selection in both lineages, including events possibly associated with their peculiar behaviour. Our findings indicate an extremely variable pattern of opsin evolution in dipterans, showcasing how two similarly aged radiations - Anopheles and Drosophila - can be characterized by contrasting dynamics in the evolution of this gene family.

Abstract The evolution of wings propelled insects to their present mega-diversity. However, interordinal relationships of early-diverging winged insects and the timescale of their evolution are difficult to resolve, in part due to uncertainties in the placement of the enigmatic and species-poor order Zoraptera. The ‘Zoraptera problem’ has remained a contentious issue in insect evolution since its discovery more than a century ago. This is a key issue because different placements of Zoraptera imply dramatically different scenarios of diversification and character evolution among polyneopteran. Here, we investigate the systematic placement of Zoraptera using the largest protein-coding gene dataset available to date, deploying methods to mitigate common sources of error in phylogenomic inference, and testing historically proposed hypotheses of zorapteran evolution. We recover Zoraptera as the earliest-diverging polyneopteran order, while earwigs (Dermaptera) and stoneflies (Plecoptera) form a monophyletic clade (Dermoplectopterida) sister to the remainder of Polyneoptera. The morphology and palaeobiology of stem-zorapterans are informed by Mesozoic fossils. The gut content and mouthparts of a male specimen of Zorotypus nascimbenei from Kachin amber (Cretaceous) reveal a fungivorous diet of Mesozoic zorapterans, akin to extant species. Based on a set of 42 justified fossil and stratigraphic calibrations, we recover a Devonian origin of winged insects and Polyneoptera, suggesting that these groups coincided with the rise of arborescence during the diversification of early terrestrial plants, fungi, and animals. Our results provide a robust framework for understanding the pattern and timescale of early winged insect diversification.

Abstract An accurate phylogeny of animals is needed to clarify their evolution, ecology, and impact on shaping the biosphere. Although datasets of several hundred thousand amino acids are nowadays routinely used to test phylogenetic hypotheses, key deep nodes in the metazoan tree remain unresolved: the root of animals, the root of Bilateria, and the monophyly of Deuterostomia. Instead of using the standard approach of amino acid datasets, we performed analyses of newly assembled genome gene content and morphological datasets to investigate these recalcitrant nodes in the phylogeny of animals. We explored extensively the choices for assembling the genome gene content dataset and model choices of morphological analyses. Our results are robust to these choices and provide additional insights into the early evolution of animals, they are consistent with sponges as the sister group of all the other animals, the worm-like bilaterian lineage Xenacoelomorpha as the sister group of the other Bilateria, and tentatively support monophyletic Deuterostomia.

Abstract Genomic data allowed for a detailed resolution of the tree of life. Yet, tricky nodes such as the root of the animal, plants, eukaryotes, bacterial and archaeal trees remain unresolved. Genomic datasets are heterogeneous as genes and species evolve under different selective pressures, impending the efficacy of evolutionary analyses. Amino acid recodings were developed to reduce heterogeneity, but clear evidence to justify their use is missing. We use simulated genomic-scale datasets and show that recodings can substantially improve phylogenetic accuracy when tackling tricky nodes. We apply our findings to address the root of the animal tree where the debate centers on whether sponges (Porifera) or comb jellies (Ctenophora) branched out first. We show that results from real data follow predictions from simulated data and indicate that a placement of the ctenophores as the first branching animal lineage is most likely artifactual.

Abstract Resolving animal (Metazoa) relationships is crucial to our understanding of, for example, the origin of their key traits such as muscles, guts and nerves. However, a broadly accepted metazoan consensus phylogeny has yet to emerge. In part this is because the genomes of deeply-diverging and fast-evolving lineages may undergo significant gene turnover, reducing the number of orthologs shared with related phyla. This can limit the usefulness of traditional phylogenetic methods that rely on alignments of orthologous sequences. Phylogenetic analysis of gene content has the potential to circumvent this orthology requirement, with binary presence/absence of homologous gene families representing a source of phylogenetically informative characters. Applying binary substitution models to the gene content of 26 complete animal genomes, we demonstrate that patterns of gene conservation differ markedly depending on whether gene families are defined by orthology or homology, i.e., whether paralogs are excluded or included. We conclude that the placement of deeply-diverging lineages, like ctenophores, may exceed the limit of resolution afforded by methods based on comparisons of orthologous protein supermatrices, and novel approaches are required to fully capture the evolutionary signal from genes within genomes.

Whole genome duplications (WGDs) have long been considered the causal mechanism underlying the dramatic increase in vertebrate morphological complexity relative to invertebrates. This is due to the retention and neo-functionalization of paralogues generated during these events, evolving new regulatory circuits, and ultimately morphological novelty. Nonetheless, an alternative hypothesis suggests that behind the retention of most paralogues is not neo-functionalization, but instead the degree of the inter-connectivity of the intended gene product, as well as the mode of the WGD itself. Here, we explore both the causes and consequences of WGD by examining the distribution, expression, and molecular evolution of microRNAs (miRNAs) in both gnathostome vertebrates as well as chelicerate arthropods. We find that although the number of miRNA paralogues tracks the number of WGDs experienced within the lineage, few of these paralogues experienced changes to the seed sequence, and thus are functionally equivalent relative to their mRNA targets. Nonetheless, the paralogues generated by the gnathostome 2R allotetraploidization event are retained in higher numbers on one sub-genome relative the second, with the miRNAs found on the preferred set of paralogons showing both higher expression of mature miRNA transcripts and slower molecular evolution of the precursor miRNA sequences. Importantly, WGDs do not result in the creation of miRNA novelty, nor do WGDs correlate to increases in complexity. Instead, it is the number of miRNA seed sequences in the genome itself that not only better correlate to instances in complexification, but also mechanistically explain why complexity increases when new miRNA families are established.