Abstract The transition from sexual reproduction to asexuality is often triggered by hybridization. The gametogenesis of many hybrid asexuals involves a stage of premeiotic genomic endoreduplication leading to the production of clonal gametes and bypassing genomic incompatibilities that would normally cause hybrid sterility. However, it is still not clear at what gametogenic stage the endoreplication occurs, how many gonial cells it affects and whether its rate differs among clonal lineages. Here, we investigated meiotic and premeiotic cells of diploid and triploid hybrids of spined loaches (Cypriniformes: Cobitis ) that reproduce by gynogenesis. We found that naturally as well as experimentally produced F1 hybrid strains undergo an obligatory genome duplication event to achieve asexuality, occurring in the gonocytes just before entering meiosis or, rarely, one or few divisions before meiosis. Surprisingly however, the genome endoreplication was observed only in a minor fraction of the hybrid’s gonocytes, while the vast majority were unable to duplicate their genomes and consequently could not proceed beyond pachytene due to defects in pairing and bivalent formation. We also noted that the rate of endoreplication was significantly higher among gonocytes of hybrids from successful natural clones than of experimentally produced F1 hybrids, indicating that interclonal selection may favour lineages which maximize the rate of premeiotic endoreduplication. We conclude that asexuality and hybrid sterility are intimately related phenomena and the transition from sexual reproduction to asexuality must overcome significant problems with genome incompatibilities with possible impact on reproductive potential.

Abstract Interspecific hybridization may trigger the transition from sexual reproduction to asexuality, but mechanistic reasons for such a change in a hybrid’s reproduction are poorly understood. Gametogenesis of many asexual hybrids involves a stage of premeiotic endoreduplication (PMER), when gonial cells duplicate chromosomes and subsequent meiotic divisions involve bivalents between identical copies, leading to production of clonal gametes. Here, we investigated the triggers of PMER and whether its induction is linked to intrinsic stimuli within a hybrid’s gonial cells or whether it is regulated by the surrounding gonadal tissue. We investigated gametogenesis in the Cobitis taenia hybrid complex, which involves sexually reproducing species ( Cobitis elongatoides and C. taenia ) as well as their hybrids, where females reproduce clonally via PMER while males are sterile. We transplanted spermatogonial stem cells (SSCs) from C. elongatoides and triploid hybrid males into embryos of sexual species and of asexual hybrid females, respectively, and observed their development in an allospecific gonadal environment. Sexual SSCs underwent regular meiosis and produced normally reduced gametes when transplanted into clonal females. On the other hand, the hybrid’s SSCs lead to sterility when transplanted into sexual males, but maintained their ability to undergo asexual development (PMER) and production of clonal eggs, when transplanted into sexual females. This suggests that asexual gametogenesis is under complex control when somatic gonadal tissue indirectly affects the execution of asexual development by determining the sexual differentiation of stem cells and once such cells develop to female phenotypes, hybrid germ cells trigger the PMER from their intrinsic signals. Significance Statement Although sexual reproduction is a dominant trait among all eukaryotes, many taxa have evolved the ability to reproduce asexually. While asexuality appears to be linked to interspecific hybridization, it remains unknown how the coexistence of diverged genomes may initiate such a swap in reproduction. In our study, we transplanted germ cells between asexual hybrids and their parents. On one hand, the ability of clonal gametogenesis occurred exclusively in hybrid germ cells, suggesting that asexual development is directly triggered by the hybrid genomic constitution of the cell. On the other hand, clonality was observed only in cells transplanted into females, suggesting that the execution of clonal development is influenced by signals from the gonadal environment and regulated by somatic factors.

Introduction Reproductive isolation and hybrid sterility are mechanisms that maintain the genetic integrity of species and prevent the introgression of heterospecific genes. However, crosses of closely related species can lead to complex evolution, such as the formation of all-female lineages that reproduce clonally. Bighead catfish ( Clarias macrocephalus ) and North African catfish ( C. gariepinus ) diverged 40 million years ago. They are cultivated and hybridized in Thailand for human consumption. Male hybrids are sterile due to genome-wide chromosome asynapsis during meiosis. Although female hybrids are sometimes fertile, their chromosome configuration during meiosis has not yet been studied. Methods We analyzed meiosis in the hybrid female catfish at pachytene (synaptonemal complexes) and diplotene (lampbrush chromosomes), using immunostaining to detect chromosome pairing and double-stranded break formation, and FISH with species-specific satellite DNAs to distinguish the parental chromosomes. Results More than 95% of oocytes exhibited chromosome asynapsis in female hybrid catfish; however, they were able to progress to the diplotene stage and form mature eggs. The remaining oocytes underwent premeiotic endoreplication, followed by synapsis and crossing over between sister chromosomes, similar to known clonal lineages in fish and reptiles. Discussion The occurrence of clonal reproduction in female hybrid catfish suggests a unique model for studying gametogenic alterations caused by hybridization and their potential for asexual reproduction. Our results further support the view that clonal reproduction in certain hybrid animals relies on intrinsic mechanisms of sexually reproducing parental species, given their multiple independent origins with the same mechanism.

Abstract Aim Glaciers cover considerable portion of land and host diverse life forms from single‐celled organisms to invertebrates. However, the determinants of diversity and community composition of these organisms remain underexplored. This study addresses the biogeography, population connectivity and dispersal of these organisms, especially critical in understanding during the rapid recession of glaciers and increased extinction risk for isolated populations. By reconstructing the Quaternary biogeographic history of Fontourion glacialis , a widespread in Northern Hemisphere glacier obligate species of Tardigrada, we aim to understand how populations of glacier‐dwelling metazoans receive immigrants, respond to disappearing glaciers and to what extent remaining glaciers can serve as refugia. Location Glaciers across Svalbard, Scandinavia, Greenland and Iceland. Methods We analysed mtDNA (COI gene) variability of 263 F. glacialis specimens collected across the distribution range. Phylogeographic and coalescent‐based approaches were used to detect population differentiation patterns, investigate most likely models of gene flow and test the influences of geographical and climatic factors on the distribution of F. glacialis genetic variants. Results Our findings indicate that the distribution of F. glacialis genetic variants is primarily influenced by geographical rather than climatic factors. Populations exhibit a dispersal‐limited distribution pattern, influenced by geographical distance and local barriers, even between neighbouring glaciers. Significantly, the genetic structure within Scandinavia suggests the existence of “southern” glacial or low‐temperature refugia, where F. glacialis may have survived a period of extensive deglaciation during the Holocene climatic optimum (8–5 kyr ago). Main Conclusion The study uncovers complex metapopulation structures in F. glacialis , with impacts of local barriers, population bottlenecks as well as historical ice sheet fluctuations. It suggests that such populations can endure extended periods of deglaciation, highlighting the resilience of glacial refugia. The study highlights the necessity of understanding the diversity and population structure of ice‐dwelling fauna in both spatial and temporal contexts.

Abstract: Hybridization and genome duplication have played crucial roles in the evolution of many animal and plant taxa. During their evolution, the subgenomes of parental species undergo considerable changes in hybrids and polyploids, which often selectively eliminate segments of one subgenome. However, the mechanisms underlying these changes are not well understood, particularly when the hybridization is linked with asexual reproduction that may enforce specific evolutionary pathways. We studied the genome evolution in asexual diploid and polyploid hybrids between fish from the genus Cobitis . Comparing exome sequencing with published cytogenetic and RNAseq data revealed that clonal genomes remain static on chromosome-scale levels but undergo considerable small-scale restructurations owing to two major processes; hemizygous deletions and gene conversions. Interestingly, polyploids were much more tolerant to accumulating deletions than diploid asexuals where gene conversions prevailed. The genomic restructurations accumulated preferentially in genes characterized by high transcription levels, relatively strong purifying selection and some specific functions such as interacting with intracellular membranes. The likelihood of an ortholog’s retention or loss correlated with its parental-species ancestry, GC content, and expression. Furthermore, all hybrids showed a strong bias towards the retention of one parental subgenome. Contrary to expectations, however, the preferentially retained subgenome was not transcriptionally dominant as all hybrids were phenotypically more similar to the other parent. The present study demonstrated that the fate of subgenomes in asexual hybrids and polyploids depends on the complex interplay of selection and several molecular mechanisms whose impact depends on ploidy, sequence composition, gene expression as well as parental ancestry.

Abstract Asexual reproduction can be triggered by interspecific hybridization, but its emergence is supposedly rare, relying on exceptional combinations of suitable genomes. To examine how genomic and karyotype divergence between parental lineages affect the incidence of asexual gametogenesis, we experimentally hybridized fishes (Cobitidae) across a broad phylogenetic spectrum, assessed by whole exome data. Gametogenic pathways generally followed a continuum from sexual reproduction in hybrids between closely related evolutionary lineages to sterile or inviable crosses between distant lineages. However, most crosses resulted in a combination of sterile males and asexually-reproducing females. Their gametes usually experienced problems in chromosome pairing, but females also produced a certain proportion of oocytes with premeiotically duplicated genomes, enabling their development into clonal eggs. Interspecific hybridization may thus commonly affect cell cycles in a specific way, allowing the formation of unreduced oocytes. The emergence of asexual gametogenesis appears tightly linked to hybrid sterility and constitutes an inherent part of the extended speciation continuum.

Formation of species generally occurs in a continuum from potentially intermixing populations to independent entities isolated from other species by pre- and postzygotic barriers. Especially the establishment of hybrid sterility (HS) is a hallmark of speciation, which usually emerges at different rates between hybrid sexes. However, although HS is frequently observed, the underlying molecular mechanisms remain poorly understood. Here we report that speciation proceeds through a previously unnoticed stage at which gene flow is completely interrupted on side of both hybrids sexes, although only male hybrids are sterile, while female fertility is rescued due to a particular gametogenetic deviation leading to the formation of clonal gametes. Specifically, analysis of gametogenetic pathways in hybrids between fish species Cobitis elongatoides and C. taenia revealed that male HS resulted from extensive asynapses and crossover reduction among elongatoides-taenia chromosomal pairs followed by apoptosis. By contrast, hybrid females exhibited premeiotic genome endoreplication which ensured proper formation of bivalents between identical chromosomal copies. This deviation ultimately restored fertility in females but since it simultaneously leads to the production of unreduced clonal gametes, it restricts interspecific gene flow thereby directly contributing to speciation. In conclusion, our data demonstrate that the emergence of asexuality may remedy HS in a sex-specific manner and is intermingled with the speciation process. Although gametogenetic mechanisms employed by asexual animals and plants have rarely been scrutinized, available evidence suggests that premeiotic endoreplication is relatively widespread. This suggests that observed link between HS and clonality may have general validity in taxa able of asexual reproduction.

Abstract The cellular and molecular mechanisms governing sexual reproduction is highly conserved across eukaryotes. Nevertheless, hybridization can disrupt such machinery leading to asexual reproduction. To investigate how hybridization and polyploidization affect gametogenesis and reproductive outcomes of asexual hybrids, we conducted a comprehensive study on diploid and triploid hybrids along with their sexual parental species from the freshwater fish family Cobitidae. In diploid and triploid hybrids, most gonocytes maintain their original ploidy level. During meiosis, such gonocytes experience abnormal chromosome pairing preventing progression beyond pachytene. Diploid hybrid females regain fertility through premeiotic genome endoreplication, resulting in the rare emergence of tetraploid gonocytes. Tetraploid gonocytes bypass meiosis and lead to clonal diploid gametes. In contrast, triploid hybrids lack genome endoreplication but utilize premeiotic genome elimination of a single-copy parental genome forming diploid gonocytes that undergo meiosis and produce haploid gametes. Therefore, the interplay of parental genomes leads to diverse gametogenic outcomes in hybrids dependent on their ploidy and genome dosage. These alterations in gametogenic pathways can persist across generations, potentially enabling the cyclic maintenance of asexual/polyploid hybrids in natural populations.

Speciation usually proceeds in a continuum from intensively hybridizing populations until the formation of irreversibly isolated species. Restriction of interspecific gene flow may often be achieved by gradual accumulation of intrinsic postzygotic incompatibilities with hybrid infertility typically evolving more rapidly than inviability. A reconstructed history of speciation in European loaches (Cobitis) reveals that accumulation of postzygotic reproductive incompatibilities may take an alternative, in the literature largely neglected, pathway through initiation of hybrids' asexuality rather than through a decrease in hybrids' fitness. Combined evidence shows that contemporary Cobitis species readily hybridize in hybrid zones, but their gene pools are isolated as hybridization produces infertile males and fertile but clonally reproducing females that cannot mediate introgressions. Nevertheless, coalescent analyses indicated intensive historical gene flow during earlier stages of Cobitis diversification, suggesting that non-clonal hybrids must have existed in the past. The revealed patterns imply that during the initial stages of speciation, hybridization between little diverged species produced recombinant hybrids mediating gene flow, but growing divergence among species caused disrupted meiosis in hybrids resulting in their clonality, which acts as a barrier to gene flow. Comparative analysis of published data on other fish hybrids corroborated the generality of our findings; the species pairs producing asexual hybrids were more genetically diverged than those pairs producing fertile sexual hybrids but less diverged than species pairs producing infertile hybrids. Hybrid asexuality therefore appears to evolve at lower divergence than other types of postzygotic barriers and might thus represent a primary reproductive barrier in many taxa.