Jeff Ross-Ibarra and colleagues report a population genomic analysis of maize evolution. They analyze genome-wide evidence for selection during the initial domestication of wild maize and during the improvement of landraces to modern inbred breeds. Their findings suggest stronger selection during domestication compared to improvement. Domestication and plant breeding are ongoing 10,000-year-old evolutionary experiments that have radically altered wild species to meet human needs. Maize has undergone a particularly striking transformation. Researchers have sought for decades to identify the genes underlying maize evolution1,2, but these efforts have been limited in scope. Here, we report a comprehensive assessment of the evolution of modern maize based on the genome-wide resequencing of 75 wild, landrace and improved maize lines3. We find evidence of recovery of diversity after domestication, likely introgression from wild relatives, and evidence for stronger selection during domestication than improvement. We identify a number of genes with stronger signals of selection than those previously shown to underlie major morphological changes4,5. Finally, through transcriptome-wide analysis of gene expression, we find evidence both consistent with removal of cis-acting variation during maize domestication and improvement and suggestive of modern breeding having increased dominance in expression while targeting highly expressed genes.

Matthew Hurles and colleagues report the first direct comparative analysis of male and female germline mutation rates from whole-genome sequences of two parent-offspring trios sequenced as part of the 1000 Genomes Project. They identify variation in paternal and maternal mutation rates between these two families. J.B.S. Haldane proposed in 1947 that the male germline may be more mutagenic than the female germline1. Diverse studies have supported Haldane's contention of a higher average mutation rate in the male germline in a variety of mammals, including humans2,3. Here we present, to our knowledge, the first direct comparative analysis of male and female germline mutation rates from the complete genome sequences of two parent-offspring trios. Through extensive validation, we identified 49 and 35 germline de novo mutations (DNMs) in two trio offspring, as well as 1,586 non-germline DNMs arising either somatically or in the cell lines from which the DNA was derived. Most strikingly, in one family, we observed that 92% of germline DNMs were from the paternal germline, whereas, in contrast, in the other family, 64% of DNMs were from the maternal germline. These observations suggest considerable variation in mutation rates within and between families.

Abstract Simulation is a key tool in population genetics for both methods development and empirical research, but producing simulations that recapitulate the main features of genomic data sets remains a major obstacle. Today, more realistic simulations are possible thanks to large increases in the quantity and quality of available genetic data, and to the sophistication of inference and simulation software. However, implementing these simulations still requires substantial time and specialized knowledge. These challenges are especially pronounced for simulating genomes for species that are not well-studied, since it is not always clear what information is required to produce simulations with a level of realism sufficient to confidently answer a given question. The community-developed framework stdpopsim seeks to lower this barrier by facilitating the simulation of complex population genetic models using up-to-date information. The initial version of stdpopsim focused on establishing this framework using six well-characterized model species (Adrion et al., 2020). Here, we report on major improvements made in the new release of stdpopsim (version 0.2), which includes a significant expansion of the species catalog and substantial additions to simulation capabilities. Features added to improve the realism of the simulated genomes include non-crossover recombination and provision of species-specific genomic annotations. Through community-driven efforts, we expanded the number of species in the catalog more than three-fold and broadened coverage across the tree of life. During the process of expanding the catalog, we have identified common sticking points and developed best practices for setting up genome-scale simulations. We describe the input data required for generating a realistic simulation, suggest good practices for obtaining the relevant information from the literature, and discuss common pitfalls and major considerations. These improvements to stdpopsim aim to further promote the use of realistic whole-genome population genetic simulations, especially in non-model organisms, making them available, transparent, and accessible to everyone.

ABSTRACT The Brazilian buffy-tufted-ear marmoset ( Callithrix aurita ), one of the world’s most endangered primates, is threatened by anthropogenic hybridization with exotic, invasive marmoset species. As there are few genetic data available for C. aurita , we developed a PCR-free protocol with minimal technical requirements to rapidly generate genomic data with genomic skimming and portable nanopore sequencing. With this direct DNA sequencing approach, we successfully determined the complete mitogenome of a marmoset that we initially identified as C. aurita . The obtained nanopore-assembled sequence was highly concordant with a Sanger sequenced version of the same mitogenome. Phylogenetic analyses unexpectedly revealed that our specimen was a cryptic hybrid, with a C. aurita phenotype and C. penicillata mitogenome lineage. We also used publicly available mitogenome data to determine diversity estimates for C. aurita and three other marmoset species. Mitogenomics holds great potential to address deficiencies in genomic data for endangered, non-model species such as C. aurita . However, we discuss why mitogenomic approaches should be used in conjunction with other data for marmoset species identification. Finally, we discuss the utility and implications of our results and genomic skimming/nanopore approach for conservation and evolutionary studies of C. aurita and other marmosets.

Abstract Background Host switching allows parasites to expand their niches. However, successful switching may require suites of adaptations and also may decrease performance on the old host. As a result, reductions in gene flow accompany many host switches, driving speciation. Because host switches tend to be rapid, it is difficult to study them in real-time and their demographic parameters remain poorly understood. As a result, fundamental factors that control subsequent parasite evolution, such as the size of the switching population or the extent of immigration from the original host, remain largely unknown. To shed light on the host switching process, we explored how host switches occur in independent host shifts by two ectoparasitic honey bee mites ( Varroa destructor and V. jacobsoni ). Results Both switched to the western honey bee ( Apis mellifera ) after it was brought into contact with their ancestral host ( Apis cerana ), ∼70 and ∼12 years ago, respectively. Varroa destructor subsequently caused worldwide collapses of honey bee populations. Using whole-genome sequencing on 63 mites collected in their native ranges from both the ancestral and novel hosts, we were able to reconstruct the known temporal dynamics of the switch. We further found multiple previously undiscovered mitochondrial lineages on the novel host, along with the genetic equivalent of tens of individuals that were involved in the initial host switch. Despite being greatly reduced, some gene flow remains between mites adapted to different hosts. Conclusion Our findings suggest that while reproductive isolation may facilitate the fixation of traits beneficial for exploitation of the new host, ongoing genetic exchange may allow genetic amelioration of inbreeding effects.

Abstract Callithrix marmosets are a relatively young primate radiation, whose phylogeny is not yet fully resolved. These primates are naturally para- and allopatric, but three species with highly invasive potential have been introduced into the southeastern Brazilian Atlantic Forest by the pet trade. There, these species hybridize with each other and endangered, native congeners. We aimed here to reconstruct a robust Callithrix phylogeny and divergence time estimates, and identify the biogeographic origins of autochthonous and allochthonous Callithrix mitogenome lineages. We sequenced 49 mitogenomes from four species ( C. aurita, C. geoffroyi, C. jacchus, C. penicillata ) and anthropogenic hybrids ( C. aurita x Callithrix sp., C. penicillata x C. jacchus, Callithrix sp. x Callithrix sp., C. penicillata x C. geoffroyi ) via Sanger and whole genome sequencing. We combined these data with previously published Callithrix mitogenomes to analyze five Callithrix species in total. Results We report the complete sequence and organization of the C. aurita mitogenome. Phylogenetic analyses showed that C. aurita was the first to diverge within Callithrix 3.54 million years ago (Ma), while C. jacchus and C. penicillata lineages diverged most recently 0.5 Ma as sister clades. MtDNA clades of C. aurita, C. geoffroyi , and C. penicillata show intraspecific geographic structure, but C. penicillata clades appear polyphyletic. Hybrids, which were identified by phenotype, possessed mainly C. penicillata or C. jacchus mtDNA haplotypes. The biogeographic origins of mtDNA haplotypes from hybrid and allochthonous Callithrix were broadly distributed across natural Callithrix ranges. Our phylogenetic results also evidence introgression of C. jacchus mtDNA into C. aurita . Conclusion Our robust Callithrix mitogenome phylogeny shows C. aurita lineages as basal and C. jacchus lineages among the most recent within Callithrix . We provide the first evidence that parental mtDNA lineages of anthropogenic hybrid and allochthonous marmosets are broadly distributed inside and outside of the Atlantic Forest. We also show evidence of cryptic hybridization between allochthonous Callithrix and autochthonous C. aurita . Our results encouragingly show that further development of genomic resources will allow to more clearly elucidate Callithrix evolutionary relationships and understand the dynamics of Callithrix anthropogenic introductions into the Brazilian Atlantic Forest.

Abstract Insertions and deletions (indels) are common molecular evolutionary events. However, probabilistic models for indel evolution are under-developed due to their computational complexity. Here we introduce several improvements to indel modeling: (1) while previous models for indel evolution assumed that the rates and length distributions of insertions and deletions are equal, here, we propose a richer model that explicitly distinguishes between the two; (2) We introduce numerous summary statistics that allow Approximate Bayesian Computation (ABC) based parameter estimation; (3) We develop a neural-network model-selection scheme to test whether the richer model better fits biological data compared to the simpler model. Our analyses suggest that both our inference scheme and the model-selection procedure achieve high accuracy on simulated data. We further demonstrate that our proposed indel model better fits a large number of empirical datasets and that, for the majority of these datasets, the deletion rate is higher than the insertion rate. Finally, we demonstrate that indel rates are negatively correlated to the effective population size across various phylogenomic clades.

Mutation is the ultimate source of all genetic variation and is, therefore, central to evolutionary change. Previous work on Paramecium tetraurelia found an unusually low germline base-substitution mutation rate in this ciliate. Here, we tested the generality of this result among ciliates using Tetrahymena thermophila. We sequenced the genomes of 10 lines of T. thermophila that had each undergone approximately 1,000 generations of mutation accumulation (MA). We developed a new probabilistic mutation detection approach that directly models the design of an MA experiment and accommodates the noise introduced by mismapped reads and also applied an existing mutation-calling pipeline. From these methods, we find that T. thermophila has a germline base-substitution mutation rate of 7.61 x 10^-12 per site, per cell division, which is consistent with the low base-substitution mutation rate in P. tetraurelia. Over the course of the evolution experiment, genomic exclusion lines derived from the MA lines experienced a fitness decline that cannot be accounted for by germline base-substitution mutations alone, suggesting that other genetic or epigenetic factors must be involved. Because selection can only operate to reduce mutation rates based upon the visible mutational load, asexual reproduction with a transcriptionally silent germline may allow ciliates to evolve extremely low germline mutation rates.

Understanding the molecular basis of repeated evolved phenotypes can yield key insights into the evolutionary process. Quantifying the amount of gene flow between populations is especially important in interpreting mechanisms of repeated phenotypic evolution, and genomic analyses have revealed that admixture is more common between diverging lineages than previously thought. In this study, we resequenced and analyzed nearly 50 whole genomes of the Mexican tetra from three blind cave populations, two surface populations, and outgroup samples. We confirmed that cave populations are polyphyletic and two Astyanax mexicanus lineages are present in our dataset. The two lineages likely diverged ~257k generations ago, which, assuming 1 generation per year, is substantially younger than previous mitochondrial estimates of 5-7mya. Divergence of cave populations from their phylogenetically closest surface population likely occurred between ~161k - 191k generations ago. The favored demographic model for most population pairs accounts for divergence with secondary contact and heterogeneous gene flow across the genome, and we rigorously identified abundant gene flow between cave and surface fish, between caves, and between separate lineages of cave and surface fish. Therefore, the evolution of cave-related traits occurred more rapidly than previously thought, and trogolomorphic traits are maintained despite substantial gene flow with surface populations. After incorporating these new demographic estimates, our models support that selection may drive the evolution of cave-derived traits, as opposed to the classic hypothesis of disuse and drift. Finally, we show that a key QTL is enriched for genomic regions with very low divergence between caves, suggesting that regions important for cave phenotypes may be transferred between caves via gene flow. In sum, our study shows that shared evolutionary history via gene flow must be considered in studies of independent, repeated trait evolution.

Abstract Sequence alignment is an essential method in bioinformatics and the basis of many analyses, including phylogenetic inference, ancestral sequence reconstruction, and gene annotation. Sequencing artifacts and errors made during genome assembly, such as abiological frameshifts and incorrect early stop codons, can impact downstream analyses leading to erroneous conclusions in comparative and functional genomic studies. More significantly, while indels can occur both within and between codons in natural sequences, most amino-acid- and codon-based aligners assume that indels only occur between codons. This mismatch between biology and alignment algorithms produces suboptimal alignments and errors in downstream analyses. To address these issues, we present COATi, a statistical, codon-aware pairwise aligner that supports complex insertion–deletion models and can handle artifacts present in genomic data. COATi allows users to reduce the amount of discarded data while generating more accurate sequence alignments. COATi can infer indels both within and between codons, leading to improved sequence alignments. We applied COATi to a dataset containing orthologous protein-coding sequences from humans and gorillas and conclude that 41% of indels occurred between codons, agreeing with previous work in other species. We also applied COATi to semiempirical benchmark alignments and find that it outperforms several popular alignment programs on several measures of alignment quality and accuracy.