Abstract The evolution of reproductive barriers is the first step in the formation of new species and can help us understand the diversification of life on Earth. These reproductive barriers often take the form of “hybrid incompatibilities,” where alleles derived from two different species no longer interact properly in hybrids. Theory predicts that hybrid incompatibilities may be more likely to arise at rapidly evolving genes and that incompatibilities involving multiple genes should be common, but there has been sparse empirical data to evaluate these predictions. Here, we describe a mitonuclear incompatibility involving three genes in physical contact within respiratory Complex I in naturally hybridizing swordtail fish species. Individuals homozygous for specific mismatched protein combinations fail to complete embryonic development or die as juveniles, while those heterozygous for the incompatibility have reduced function of Complex I and unbalanced representation of parental alleles in the mitochondrial proteome. We find that the impacts of different genetic interactions on survival are non-additive, highlighting subtle complexity in the genetic architecture of hybrid incompatibilities. We document the evolutionary history of the genes involved, showing for the first time that an incompatibility has been transferred between species via hybridization. This work thus provides the first glimpse into the genetic architecture, physiological impacts, and evolutionary origin of a complex incompatibility impacting naturally hybridizing species.

Abstract Biologists since Darwin have been fascinated by the evolution of sexually selected ornaments, particularly those that reduce viability. Uncovering the genetic architecture of these traits is key to understanding how they evolve and are maintained. Here, we investigate the genetic architecture of a sexually selected ornament, the “sword” fin extension that characterizes many species of swordtail fish ( Xiphophorus ). Using sworded and swordless sister species of Xiphophorus , we generated a mapping population and show that the sword ornament is polygenic – with ancestry across the genome explaining substantial variation in the trait. After accounting for the impacts of genome-wide ancestry, we identify one major effect QTL that explains ∼5% of the overall variation in the trait. Using a series of approaches, we narrow this large QTL interval to a handful of likely candidate genes, including the gene sp8 . Notably, sp8 plays a regulatory role in fin regeneration and harbors several derived substitutions that are predicted to impact protein function in the species that has lost the sword ornament. Furthermore, we find evidence of selection on ancestry at sp8 in four natural hybrid populations, consistent with selection against the sword in these populations.

Abstract Hybridization between species is widespread across the tree of life. As a result, many species, including our own, harbor regions of their genome derived from hybridization. Despite the recognition that this process is widespread, we understand little about how the genome stabilizes following hybridization, and whether the mechanisms driving this stabilization tend to be shared across species. Here, we dissect the drivers of variation in local ancestry across the genome in replicated hybridization events between two species pairs of swordtail fish: Xiphophorus birchmanni × X. cortezi and X. birchmanni × X. malinche . We find unexpectedly high levels of repeatability in local ancestry across the two types of hybrid populations. This repeatability is attributable in part to the fact that the recombination landscape and locations of functionally important elements play a major role in driving variation in local ancestry in both types of hybrid populations. Beyond these broad scale patterns, we identify dozens of regions of the genome where minor parent ancestry is unusually low or high across species pairs. Analysis of these regions points to shared sites under selection across species pairs, and in some cases, shared mechanisms of selection. We show that one such region is a previously unknown hybrid incompatibility that is shared across X. birchmanni × X. cortezi and X. birchmanni × X. malinche hybrid populations.

ABSTRACT Poison frogs bioaccumulate alkaloids for chemical defense from their arthropod diet. Although many alkaloids are accumulated without modification, some poison frog species can metabolize pumiliotoxin (PTX 251D ) into the more potent allopumiliotoxin (aPTX 267A ). Despite extensive research characterizing the chemical arsenal of poison frogs, the physiological mechanisms involved in the sequestration and metabolism of individual alkaloids remain unclear. We first performed a feeding experiment with the Dyeing poison frog ( Dendrobates tinctorius ) to ask if this species can metabolize PTX 251D into aPTX 267A and what gene expression changes are associated with PTX 251D exposure in the intestines, liver, and skin. We found that D. tinctorius can metabolize PTX 251D into aPTX 267A , and that PTX 251D exposure changed the expression level of genes involved in immune system function and small molecule metabolism and transport. To better understand the functional significance of these changes in gene expression, we then conducted a series of high-throughput screens to determine the molecular targets of PTX 251D and identify potential proteins responsible for metabolism of PTX 251D into aPTX 267A . Although screens of PTX 251D binding human voltage-gated ion channels and G-protein coupled receptors were inconclusive, we identified human CYP2D6 as a rapid metabolizer of PTX 251D in a cytochrome P450 screen. Furthermore, a CYP2D6-like gene had increased expression in the intestines of animals fed PTX, suggesting this protein may be involved in PTX metabolism. These results show that individual alkaloids can modify gene expression across tissues, including genes involved in alkaloid metabolism. More broadly, this work suggests that specific alkaloid classes in wild diets may induce physiological changes for targeted accumulation and metabolism.

Abstract Understanding how organisms adapt to changing environments is a core focus of research in evolutionary biology. One common mechanism is adaptive introgression, which has received increasing attention as a potential route to rapid adaptation in populations struggling in the face of ecological change, particularly global climate change. However, hybridization can also result in deleterious genetic interactions that may limit the benefits of adaptive introgression. Here, we used a combination of genome-wide quantitative trait locus mapping and differential gene expression analyses between the swordtail fish species Xiphophorus malinche and X. birchmanni to study the consequences of hybridization on thermotolerance. While these two species are adapted to different thermal environments, we document a complicated architecture of thermotolerance in hybrids. We identify a region of the genome that contributes to reduced thermotolerance in individuals heterozygous for X. malinche and X. birchmanni ancestry, as well as widespread misexpression in hybrids of genes that respond to thermal stress in the parental species, particularly in the circadian clock pathway. We also show that a previously mapped hybrid incompatibility between X. malinche and X. birchmanni contributes to reduced thermotolerance in hybrids. Together, our results highlight the challenges of understanding the impact of hybridization on complex ecological traits and its potential impact on adaptive introgression.

Abstract Organisms have evolved diverse reproductive strategies that impact the probability that their offspring survive to adulthood. Here, we describe divergence in reproductive strategy between two closely related species of swordtail fish ( Xiphophorus ). Swordtail fish and their relatives have evolved viviparity: they have internal fertilization and give birth to fully developed fry. We find that one species, X. malinche , which lives in high-elevation environments, has evolved larger offspring than its closest relative X. birchmanni and dwarfs the offspring size of other species in the genus. The larger fry of X. malinche are more resilient to starvation than their X. birchmanni relatives, hinting that the evolution of large offspring size may be an adaptation to the particularly challenging environments in which X. malinche are born. We find evidence that X. malinche achieves larger offspring size in part by continuing to provision their offspring over the course of embryonic development after fertilization, the first time this process has been documented in the Xiphophorus genus. Moreover, we observe differential regulation in the ovary of genes associated with maternal nutrient provisioning in other species that use this reproductive strategy. Intriguingly, these reproductive differences may drive an asymmetric hybrid incompatibility, since X. birchmanni mothers pregnant with F 1 embryos give birth to premature and stillborn fry at an exceptionally high rate.

Over the past two decades, evolutionary biologists have come to appreciate that hybridization, or genetic exchange between distinct lineages, is remarkably common - not just in particular lineages but in taxonomic groups across the tree of life. As a result, the genomes of many modern species harbor regions inherited from related species. This observation has raised fundamental questions about the degree to which the genomic outcomes of hybridization are repeatable and the degree to which natural selection drives such repeatability. However, a lack of appropriate systems to answer these questions has limited empirical progress in this area. Here, we leverage independently formed hybrid populations between the swordtail fish Xiphophorus birchmanni and X. cortezi to address this fundamental question. We find that local ancestry in one hybrid population is remarkably predictive of local ancestry in another, demographically independent hybrid population. Applying newly developed methods, we can attribute much of this repeatability to strong selection in the earliest generations after initial hybridization. We complement these analyses with time-series data that demonstrates that ancestry at regions under selection has remained stable over the past ~40 generations of evolution. Finally, we compare our results to the well-studied X. birchmanni x X. malinche hybrid populations and conclude that deeper evolutionary divergence has resulted in stronger selection and higher repeatability in patterns of local ancestry in hybrids between X. birchmanni and X. cortezi.

ABSTRACT Recent scientific advances in ex situ system design and operation make it possible to complete gametogenic cycles of broadcast spawning corals. Breeding corals in aquaria are critical advances for population management, particularly genetic rescue and assisted gene flow efforts. Genetic rescue projects for corals are already underway to bring threatened species into ex situ culture and propagation, thereby preserving standing genetic variation. However, while breeding corals is increasingly feasible, the consequences of the aquarium environment on the genetic and phenotypic composition of coral populations is not yet known. The aquarium environment may in itself be a selective pressure on corals, but it also presents relaxed selective pressure in other respects. In 2019 and 2020, gravid Acropora hyacinthus coral colonies were collected from Palauan reefs and shipped to the California Academy of Sciences (CAS) in San Francisco. In both years, gametes were batch-fertilized to produce larvae that were then settled and reared to recruits. As of April 2021, when they were sampled for sequencing, 23 corals produced at CAS in 2019 and 16 corals produced at CAS in 2020 had survived for two years and one year, respectively. We sequenced the full genomes of the 39 offspring corals and their 15 potential parents to a median 26x depth of coverage. We find clear differential parentage, with some parents producing the vast majority of offspring, while the majority of parents produced no surviving offspring. After scanning 12.9 million single nucleotide polymorphisms (SNPs), we found 887 SNPs that may be under selection in the aquarium environment, and we identified the genes and pathways these SNPs may affect. We present recommendations for preserving standing genetic variation in aquarium-bred corals based on the results of this pilot project.