R estriction site a ssociated D NA (RAD) tags are a genome-wide representation of every site of a particular restriction enzyme by short DNA tags. Most organisms segregate large numbers of DNA sequence polymorphisms that disrupt restriction sites, which allows RAD tags to serve as genetic markers spread at a high density throughout the genome. Here, we demonstrate the applicability of RAD markers for both individual and bulk-segregant genotyping. First, we show that these markers can be identified and typed on pre-existing microarray formats. Second, we present a method that uses RAD marker DNA to rapidly produce a low-cost microarray genotyping resource that can be used to efficiently identify and type thousands of RAD markers. We demonstrate the utility of the former approach by using a tiling path array for the fruit fly to map a recombination breakpoint, and the latter approach by creating and using an enriched RAD marker array for the threespine stickleback. The high number of RAD markers enabled localization of a previously identified region, as well as a second region also associated with the lateral plate phenotype. Taken together, our results demonstrate that RAD markers, and the method to develop a RAD marker microarray resource, allow high-throughput, high-resolution genotyping in both model and nonmodel systems.

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.

Abstract Traits with different fitness optima in males and females cause sexual conflict when they have a shared genetic basis. Heteromorphic sex chromosomes can resolve this conflict and protect sexually antagonistic polymorphisms but accumulate deleterious mutations. However, many taxa lack differentiated sex chromosomes, and how sexual conflict is resolved in these species is largely unknown. Here we present a chromosome-anchored genome assembly for rainbow trout ( Oncorhynchus mykiss ) and characterize a 56 Mb double-inversion supergene that mediates sex-specific migration through sex-dependent dominance, a mechanism that reduces sexual conflict. The double-inversion contains key photosensory, circadian rhythm, adiposity, and sexual differentiation genes and displays frequency clines associated with latitude and temperature, revealing environmental dependence. Our results constitute the first example of sex-dependent dominance across a large autosomal supergene, a novel mechanism for sexual conflict resolution capable of protecting polygenic sexually antagonistic variation while avoiding the homozygous lethality and deleterious mutation load of heteromorphic sex chromosomes.

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.

Abstract A refugial population of the endangered delta smelt ( Hypomesus transpacificus ) has been maintained at the Fish Conservation and Culture Laboratory (FCCL) at UC Davis since 2008. Despite intense genetic management, fitness differences between wild and cultured fish have been observed at the FCCL. To investigate the molecular underpinnings of hatchery domestication, we used whole‐genome bisulfite sequencing to quantify epigenetic differences between wild and hatchery‐origin delta smelt. Differentially methylated regions (DMRs) were identified from 104 individuals by comparing the methylation patterns in different generations of hatchery fish (G1, G2, G3) with their wild parents (G0). We discovered a total of 132 significant DMRs ( p < .05) between G0 and G1, 132 significant DMRs between G0 and G2, and 201 significant DMRs between G0 and G3. Our results demonstrate substantial differences in methylation patterns emerged between the wild and hatchery‐reared fish in the early generations in the hatchery, with a higher proportion of hypermethylated DMRs in hatchery‐reared fish. The rearing environment was found to be a stronger predictor of individual clustering based on methylation patterns than family, sex or generation. Our study indicates a reinforcement of the epigenetic status with successive generations in the hatchery environment, as evidenced by an increase in methylation in hypermethylated DMRs and a decrease in methylation in hypomethylated DMRs over time. Lastly, our results demonstrated heterogeneity in inherited methylation pattern in families across generations. These insights highlight the long‐term consequences of hatchery practices on the epigenetic landscape, potentially impacting wild fish populations.

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.

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.

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.

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.

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.