Abstract Massively parallel sequencing has revolutionized many areas of biology, but sequencing large amounts of DNA in many individuals is cost-prohibitive and unnecessary for many studies. Genomic complexity reduction techniques such as sequence capture and restriction enzyme-based methods enable the analysis of many more individuals per unit cost. Despite their utility, current complexity reduction methods have limitations, especially when large numbers of individuals are analyzed. Here we develop a much improved restriction site-associated DNA (RAD) sequencing protocol and a new method called Rapture (RAD capture). The new RAD protocol improves versatility by separating RAD tag isolation and sequencing library preparation into two distinct steps. This protocol also recovers more unique (nonclonal) RAD fragments, which improves both standard RAD and Rapture analysis. Rapture then uses an in-solution capture of chosen RAD tags to target sequencing reads to desired loci. Rapture combines the benefits of both RAD and sequence capture, i.e., very inexpensive and rapid library preparation for many individuals as well as high specificity in the number and location of genomic loci analyzed. Our results demonstrate that Rapture is a rapid and flexible technology capable of analyzing a very large number of individuals with minimal sequencing and library preparation cost. The methods presented here should improve the efficiency of genetic analysis for many aspects of agricultural, environmental, and biomedical science.

The MAPKKK Ste11p functions in three Saccharomyces cerevisiae MAPK cascades [the high osmolarity glycerol (HOG), pheromone response, and pseudohyphal/invasive growth pathways], but its activation in response to high osmolarity stimulates only the HOG pathway. To determine what restricts cross-activation of MAPK cascades (cross talk), we have studied mutants in which the pheromone response pathway is activated by high osmolarity (1 m sorbitol). We found that mutations in the HOG1 gene, encoding the p38-type MAPK of the HOG pathway, and in the PBS2 gene, encoding the activating kinase for Hog1p, allowed osmolarity-induced activation of the pheromone response pathway. This cross talk required the osmosensor Sho1p, as well as Ste20p, Ste50p, the pheromone response MAPK cascade (Ste11p, Ste7p, and Fus3p or Kss1p), and Ste12p but not Ste4p or the MAPK scaffold protein, Ste5p. The cross talk in hog1 mutants induced multiple responses of the pheromone response pathway: induction of a FUS1::lacZ reporter, morphological changes, and mating in ste4 and ste5 mutants. We suggest that Hog1p may prevent osmolarity-induced cross talk by inhibiting Sho1p, perhaps as part of a feedback control on the HOG pathway. We have also shown that Ste20p and Ste50p function in the Sho1p branch of the HOG pathway and that a second osmosensor in addition to Sho1p may activate Ste11p. Finally, we have found that pseudohyphal growth exhibited by wild-type ( HOG1 ) strains depends on SHO1, suggesting that Sho1p may be a receptor that feeds into the pseudohyphal growth pathway.

Abstract Many complex traits are subject to assortative mating (AM), with recent molecular genetic findings confirming longstanding theoretical predictions that AM alters genetic architecture by inducing long range dependence across causal variants. However, all marker-based heritability estimators assume mating is random. We provide mathematical and simulation-based evidence demonstrating that both method-of-moments estimators and likelihood-based estimators produce biased estimates in the presence of AM and that common approaches to account for population structure fail to mitigate this bias. Then, examining height and educational attainment in the UK Biobank, we demonstrate that these biases affect real world traits. Finally, we derive corrected heritability estimators for traits under equilibrium AM.

Preservation of life-history and other phenotypic complexity is central to the resilience of Pacific salmon stocks. Steelhead (Oncorhynchus mykiss) express a diversity of life history strategies such as the propensity to migrate (anadromy/residency) and the timing and state of maturation upon return to freshwater (run-timing), providing an opportunity to study adaptive phenotypic complexity. Historically, the Eel River supported upwards of one million salmon and steelhead, but the past century has seen dramatic declines of all salmonids in the watershed. Here we investigate life history variation in Eel River steelhead by using Rapture sequencing, on thousands of individuals, to genotype the region diagnostic for run-timing (GREB1L) and the region strongly associated with residency/anadromy (OMY05), as well as determine patterns of overall genetic differentiation. Our results provide insight into many conservation related issues. For example, we found distinct segregation between winter and summer-run steelhead correlated with flow dependent barriers in major forks of the Eel; that summer-run steelhead inhabited the upper Eel prior to construction of an impassable dam, and that both life-history and overall genetic diversity have been maintained in the resident trout population above; and no evidence of the summer-run allele in the South Fork Eel, indicating that summer run-timing cannot be expected to arise from standing genetic variation in this and other populations that lack the summer-run phenotype. The results presented in this study provide valuable information for designing future restoration and management strategies for O. mykiss in Northern California and beyond.

The delineation of conservation units (CUs) is a challenging issue that has profound implications for minimizing the loss of biodiversity and ecosystem services. CU delineation typically seeks to prioritize evolutionary significance and genetic methods play a pivotal role in the delineation process by quantifying overall differentiation between populations. While CUs that primarily reflect overall genetic differentiation do protect adaptive differences between distant populations, they do not necessarily protect adaptive variation within highly connected populations. Advances in genomic methodology facilitate the characterization of adaptive genetic variation, but the potential utility of this information for CU delineation is unclear. Here we use genomic methods to investigate the evolutionary basis of premature migration in Pacific salmon, a complex behavioral and physiological adaptation that exists within highly-connected populations and has experienced severe declines. Strikingly, we find that premature migration is associated with the same single locus across multiple populations in each of two different species. Patterns of variation at this locus suggest that the premature migration alleles arose from a single evolutionary event within each species and were subsequently spread to distant populations through straying and positive selection. Our results reveal that complex adaptive variation can depend on rare mutational events at a single locus, demonstrate that CUs reflecting overall genetic differentiation can fail to protect evolutionarily significant variation that has substantial ecological and societal benefits, and suggest that a supplemental framework for protecting specific adaptive variation will sometimes be necessary to prevent the loss of significant biodiversity and ecosystem services.

When incipient species meet in secondary contact, natural selection can rapidly reduce costly reproductive interactions by directly targeting reproductive traits. This process, called reproductive character displacement (RCD), leaves a characteristic pattern of geographic variation where divergence of traits between species is greater in sympatry than allopatry. However, because other forces can also cause similar patterns, care must be given in separating pattern from process. Here we show how the phylo-comparative method together with genomic data can be used to evaluate evolutionary processes at the population level in closely related species. Using this framework, we test the role of RCD in speciation of two cricket species endemic to Anatolian mountains by quantifying patterns of character displacement, rates of evolution and adaptive divergence. Our results show differing patterns of character displacement between species for reproductive vs. non-reproductive characters and strong patterns of asymmetric divergence. We demonstrate diversification results from rapid divergence of reproductive traits towards multiple optima under the dual influence of strong drift and selection. These results present the first solid evidence for RCD in Anatolian mountains, quantify the amount of drift and selection necessary for RCD to lead to speciation, and demonstrate the utility of phylo-comparative methods for quantifying evolutionary parameters at the population level.

Abstract The speckled dace ( Rhinichthys osculus ) is small cyprinid fish that is widespread in the Western USA. Currently treated as a single species, speckled dace consists of multiple evolutionary lineages that can be recognized as species and subspecies throughout its range. Recognition of taxonomic distinctiveness of speckled dace populations is important for developing conservation strategies. In this study, we collected samples of speckled dace from 38 locations in the American West, with a focus on California. We used RAD sequencing to extract thousands of SNPs across the genome from samples to identify genetic differences among seven California populations informally recognized as speckled dace subspecies: Amargosa, Owens, Long Valley, Lahontan, Klamath, Sacramento, and Santa Ana speckled dace. We performed principal component analysis, admixture analysis, estimated pairwise Fst, and constructed a phylogeny to explore taxonomic relationships among these groups and test if these subspecies warrant formal recognition. Our analyses show that the seven subspecies fit into three major lineages equivalent to species: western (Sacramento-Klamath), Santa Ana, and Lahontan speckled dace. Death Valley speckled dace were determined to be two lineages (Amargosa and Long Valley) within Lahontan speckled dace. Western and Lahontan speckled dace lineages had branches that can be designated as subspecies. These designations fit well with the geologic history of the region which has promoted long isolation of populations. This study highlights the importance of genetic analysis for conservation and management of freshwater fishes.

Massively parallel sequencing has revolutionized many areas of biology but sequencing large amounts of DNA in many individuals is cost-prohibitive and unnecessary for many studies. Genomic complexity reduction techniques such as sequence capture and restriction enzyme-based methods enable the analysis of many more individuals per unit cost. Despite their utility, current complexity reduction methods have limitations, especially when large numbers of individuals are analyzed. Here we develop a much improved restriction site associated DNA (RAD) sequencing protocol and a new method called Rapture (RAD capture). The new RAD protocol improves versatility by separating RAD tag isolation and sequencing library preparation into two distinct steps. This protocol also recovers more unique (non-clonal) RAD fragments which improves both standard RAD and Rapture analysis. Rapture then uses an in-solution capture of chosen RAD tags to target sequencing reads to desired loci. Rapture combines the benefits of both RAD and sequence capture, i.e. very inexpensive and rapid library preparation for many individuals as well as high specificity in the number and location of genomic loci analyzed. Our results demonstrate that Rapture is a rapid and flexible technology capable of analyzing a very large number of individuals with minimal sequencing and library preparation cost. The methods presented here should improve the efficiency of genetic analysis for many aspects of agricultural, environmental, and biomedical science.

Advances in high-throughput sequencing (HTS) technologies coupled with increased interdisciplinary collaboration is rapidly expanding capacity in the scope and scale of wildlife genetic studies. While existing HTS methods can be directly applied to address some evolutionary and ecological questions, certain research goals necessitate tailoring methods to specific study organisms, such as high-throughput genotyping of the same loci that are comparable over large spatial and temporal scales. These needs are particularly common for studies of highly mobile species of conservation concern like marine turtles, where life history traits, limited financial resources and other constraints require affordable, adaptable methods for HTS genotyping to meet a variety of study goals. Here, we present a versatile marine turtle HTS targeted enrichment platform adapted from the recently developed Rapture (RAD-Capture) method specifically designed to meet these research needs. Our results demonstrate consistent enrichment of targeted regions throughout the genome and discovery of candidate variants in all species examined for use in various conservation genetics applications. Accurate species identification confirmed the ability of our platform to genotype over 1,000 multiplexed samples, and identified areas for future methodological improvement such as optimization for low initial concentration samples. Finally, analyses within green turtles supported the ability of this platform to identify informative SNPs for stock structure, population assignment and other applications over a broad geographic range of interest to management. This platform provides an additional tool for marine turtle genetic studies and broadens capacity for future large-scale initiatives such as collaborative global marine turtle genetic databases.

Phenotypic variation is critical for the long-term persistence of species and populations. Anthropogenic activities have caused substantial shifts and reductions in phenotypic variation across diverse taxa, but the underlying mechanism (i.e., phenotypic plasticity and/or genetic evolution) and potential to recover previous phenotypic characteristics are unclear. Here we investigate changes in adult migration characteristics of wild salmon populations caused by dam construction and other anthropogenic habitat modifications. Strikingly, we find that dramatic allele frequency change (i.e., genetic evolution) from strong selection at a single locus explains the rapid phenotypic shift observed after recent dam construction. Furthermore, ancient DNA analysis confirms the abundance of a specific allele associated with adult migration type in historical habitat that will soon become accessible through a large restoration (i.e., dam removal) project. However, analysis of contemporary samples suggests the restoration will be challenged by loss of the allele from potential source populations. These results highlight the need to conserve and restore critical adaptive variation before the potential for recovery is lost.