Abstract Fireflies and their fascinating luminous courtships have inspired centuries of scientific study. Today firefly luciferase is widely used in biotechnology, but the evolutionary origin of their bioluminescence remains unclear. To shed light on this long-standing question, we sequenced the genomes of two firefly species that diverged over 100 million-years-ago: the North American Photinus pyralis and Japanese Aquatica lateralis. We also sequenced the genome of a related click-beetle, the Caribbean Ignelater luminosus, with bioluminescent biochemistry near-identical to fireflies, but anatomically unique light organs, suggesting the intriguing but contentious hypothesis of parallel gains of bioluminescence. Our analyses support two independent gains of bioluminescence between fireflies and click-beetles, and provide new insights into the genes, chemical defenses, and symbionts that evolved alongside their luminous lifestyle. One Sentence Summary: Comparative analyses of the first linkage-group-resolution genomes of fireflies and related bioluminescent beetles address long-standing questions of the origin and evolution of bioluminescence and its associated traits.

Abstract Many animal species employ short, positively charged proteins, called sperm nuclear basic proteins (SNBPs) or protamines, for tighter packaging of genomes in sperm. SNBP repertoires differ dramatically across animal lineages and signatures of rapid evolution have been reported in mammals. Both sperm competition and meiotic drive between sex chromosomes have been proposed as causes of SNBP innovation. We used a phylogenomic approach to investigate SNBP diversification and its underlying causes in Drosophila species. We found unambiguous signatures of positive selection in most SNBP genes except for genes essential for male fertility in D. melanogaster . Unexpectedly, evolutionarily young SNBP genes are more likely to encode essential functions for fertility than ancient, conserved SNBP genes like CG30056 , which we found is dispensable for male fertility despite universal retention in Drosophila species. We found 19 independent amplification events involving eight SNBP genes that occurred preferentially on sex chromosomes in 78 Drosophila species. Conversely, we found that otherwise-conserved SNBP genes were lost in the montium group of Drosophila species, coincident with an X-Y chromosomal fusion. Furthermore, SNBP genes that became linked to sex chromosomes via chromosomal fusions are prone to degenerate or relocate back to autosomes. We hypothesize that SNBP genes ancestrally encoded by autosomes suppress meiotic drive, whereas sex-chromosomal SNBP expansions directly participate in meiotic drive. X-Y fusions in the montium group render autosomal SNBPs dispensable by making X-versus-Y meiotic drive obsolete or costly. We conclude that SNBP rapid evolution is driven by genetic conflicts between sex chromosomes during spermatogenesis in Drosophila species.

Centromeres reside in rapidly evolving, repeat-rich genomic regions, despite their essential function in chromosome segregation. Across organisms, centromeres are rich in selfish genetic elements such as transposable elements and satellite DNAs that can bias their transmission through meiosis. However, these elements still need to cooperate at some level and contribute to, or avoid interfering with, centromere function. To gain insight into the balance between conflict and cooperation at centromeric DNA, we take advantage of the close evolutionary relationships within the Drosophila simulans clade— D . simulans , D . sechellia , and D . mauritiana— and their relative, D . melanogaster . Using chromatin profiling combined with high-resolution fluorescence in situ hybridization on stretched chromatin fibers, we characterize all centromeres across these species. We discovered dramatic centromere reorganization involving recurrent shifts between retroelements and satellite DNAs over short evolutionary timescales. We also reveal the recent origin (<240 Kya) of telocentric chromosomes in D . sechellia , where the X and fourth centromeres now sit on telomere-specific retroelements. Finally, the Y chromosome centromeres, which are the only chromosomes that do not experience female meiosis, do not show dynamic cycling between satDNA and TEs. The patterns of rapid centromere turnover in these species are consistent with genetic conflicts in the female germline and have implications for centromeric DNA function and karyotype evolution. Regardless of the evolutionary forces driving this turnover, the rapid reorganization of centromeric sequences over short evolutionary timescales highlights their potential as hotspots for evolutionary innovation.

The synaptonemal complex (SC) is a protein-rich structure necessary to tether homologous chromosomes for meiotic recombination and faithful segregation. Despite being found in most major eukaryotic taxa implying a deep evolutionary origin, components of the complex can exhibit unusually high rates of sequence evolution, particularly in Drosophila where orthologs of several components could not be identified outside of the genus. To understand the cause of this paradoxical lack of conservation, we examine the evolutionary history of the SC in Drosophila, taking a comparative phylogenomic approach with high species density to circumvent obscured homology due to rapid sequence evolution. We find that in addition to elevated rates of coding evolution due to recurrent and widespread positive selection, components of the SC, in particular the central element cona and transverse filament c(3)G have diversified through tandem and retro-duplications, repeatedly generating paralogs with novel germline functions. Strikingly, independent c(3)G duplicates under positive selection in separate lineages both evolved to have high testes expression and similar structural changes to the proteins, suggesting molecular convergence of novel function. In other instances of germline novelty, two cona derived paralogs were independently incorporated into testes-expressed lncRNA. Surprisingly, the expression of SC genes in the germline is exceedingly prone to change suggesting recurrent regulatory evolution which, in many species, resulted in high testes expression even though Drosophila males are achiasmic. Overall, our comprehensive study recapitulates the adaptive sequence evolution of several components of the SC, and further uncovers that the lack of conservation not only extends to other modalities including copy number, genomic locale, and germline regulation, it may also underlie repeated germline novelties especially in the testes. Given the unexpected and frequently elevated testes expression in a large number of species and the ancestor, we speculate that the function of SC genes in the male germline, while still poorly understood, may be a prime target of constant evolutionary pressures driving repeated adaptations and innovations.

Heterochromatic regions of the genome are repeat-rich and gene poor, and are therefore underrepresented in even in the best genome assemblies. One of the most difficult regions of the genome to assemble are sex-limited chromosomes. The Drosophila melanogaster Y chromosome is entirely heterochromatic, yet has wide-ranging effects on male fertility, fitness, and genome-wide gene expression. The genetic basis of this phenotypic variation is difficult to study, in part because we do not know the detailed organization of the Y chromosome. To study Y chromosome organization in D. melanogaster, we develop an assembly strategy involving the in silico enrichment of heterochromatic long single-molecule reads and use these reads to create targeted de novo assemblies of heterochromatic sequences. We assigned contigs to the Y chromosome using Illumina reads to identify male-specific sequences. Our pipeline extends the D. melanogaster reference genome by 11.9-Mb, closes 43.8% of the gaps, and improves overall contiguity. The addition of 10.6 MB of Y-linked sequence permitted us to study the organization of repeats and genes along the Y chromosome. We detected a high rate of duplication to the pericentric regions of the Y chromosome from other regions in the genome. Most of these duplicated genes exist in multiple copies. We detail the evolutionary history of one sex-linked gene family — crystal-Stellate. While the Y chromosome does not undergo crossing over, we observed high gene conversion rates within and between members of the crystal-Stellate gene family, Su(Ste), and PCKR, compared to genome-wide estimates. Our results suggest that gene conversion and gene duplication play an important role in the evolution of Y-linked genes.

Robertsonian translocations resulting in fusions between sex chromosomes and autosomes shape karyotype evolution in animals by creating new sex chromosomes from autosomes. These translocations can also reverse sex chromosomes back into autosomes, which is especially intriguing given that autosomes and sex chromosomes differ in gene regulation and chromatin environment. While researchers are beginning to understand X chromosomes reversals to autosomes at a genomic level, it is difficult to study reversals of Y chromosomes because of their rapid sequence turnover and high repeat content. To gain insight into the genomic events following a Y chromosome reversal, we investigated an autosome-Y translocation in a well-studied and tractable organism, Drosophila pseudoobscura. About 10-15 Mya, the ancestral Y chromosome fused to a small autosome (the dot chromosome) in an ancestor of D. pseudoobscura. We used single molecule real-time sequencing reads to assemble the genic part of the D. pseudoobscura dot chromosome, including this Y-to-dot translocation. We find that the intervening sequence between the ancestral Y and the rest of the dot chromosome is only ~78 Kb and has a low repeat density, suggesting that the centromere now falls outside, rather than between, the fused chromosomes. The Y-to-dot region is 100 times smaller than the D. melanogaster Y chromosome, owing to repeat landscape changes. Previous studies suggest that recurrent selective sweeps favoring shorter introns helped to shrink the Y-to-dot following the translocation. Our results suggest that genetic drift and a small ancestral Y chromosome may also help explain the compact size of the Y-to-dot translocation.

Centromeres are essential chromosomal regions that mediate kinetochore assembly and spindle attachments during cell division. Despite their functional conservation, centromeres are amongst the most rapidly evolving genomic regions and can shape karyotype evolution and speciation across taxa. Although significant progress has been made in identifying centromere-associated proteins, the highly repetitive centromeres of metazoans have been refractory to DNA sequencing and assembly, leaving large gaps in our understanding of their functional organization and evolution. Here, we identify the sequence composition and organization of the centromeres of Drosophila melanogaster by combining long-read sequencing, chromatin immunoprecipitation for the centromeric histone CENP-A, and high-resolution chromatin fiber imaging. Contrary to previous models that heralded satellite repeats as the major functional components, we demonstrate that functional centromeres form on islands of complex DNA sequences enriched in retroelements that are flanked by large arrays of satellite repeats. Each centromere displays distinct size and arrangement of its DNA elements but is similar in composition overall. We discover that a specific retroelement, G2/Jockey-3, is the most highly enriched sequence in CENP-A chromatin and is the only element shared among all centromeres. G2/Jockey-3 is also associated with CENP-A in the sister species Drosophila simulans, revealing an unexpected conservation despite the reported turnover of centromeric satellite DNA. Our work reveals the DNA sequence identity of the active centromeres of a premier model organism and implicates retroelements as conserved features of centromeric DNA.

Abstract Segregation Distorter ( SD ) is a male meiotic drive system in Drosophila melanogaster. Males heterozygous for a selfish SD chromosome rarely transmit the homologous SD + chromosome. It is well established that distortion results from an interaction between Sd , the primary distorting locus on the SD chromosome and its target, a satellite DNA called Rsp, on the SD + chromosome. However, the molecular and cellular mechanisms leading to post-meiotic SD + sperm elimination remain unclear. Here we show that SD/SD + males of different genotypes but with similarly strong degrees of distortion have distinct spermiogenic phenotypes. In some genotypes, SD + spermatids fail to fully incorporate protamines after the removal of histones, and degenerate during the individualization stage of spermiogenesis. In contrast, in other SD/SD + genotypes, protamine incorporation appears less disturbed, yet spermatid nuclei are abnormally compacted, and mature sperm nuclei are eventually released in the seminal vesicle. Our analyses of different SD + chromosomes suggest that the severity of the spermiogenic defects associates with the copy number of the Rsp satellite. We propose that when Rsp copy number is very high (> 2000), spermatid nuclear compaction defects reach a threshold that triggers a checkpoint controlling sperm chromatin quality to eliminate abnormal spermatids during individualization.

Abstract Y chromosomes across diverse species convergently evolve a gene-poor, heterochromatic organization enriched for duplicated genes, LTR retrotransposable elements, and satellite DNA. Sexual antagonism and a loss of recombination play major roles in the degeneration of young Y chromosomes. However, the processes shaping the evolution of mature, already degenerated Y chromosomes are less well-understood. Because Y chromosomes evolve rapidly, comparisons between closely related species are particularly useful. We generated de novo long read assemblies complemented with cytological validation to reveal Y chromosome organization in three closely related species of the Drosophila simulans complex, which diverged only 250,000 years ago and share >98% sequence identity. We find these Y chromosomes are divergent in their organization and repetitive DNA composition and discover new Y-linked gene families whose evolution is driven by both positive selection and gene conversion. These Y chromosomes are also enriched for large deletions, suggesting that the repair of double-strand breaks on Y chromosomes may be biased toward microhomology-mediated end joining over canonical non-homologous end-joining. We propose that this repair mechanism generally contributes to the convergent evolution of Y chromosome organization.

Abstract Meiotic drive supergenes are complexes of alleles at linked loci that together subvert Mendelian segregation to gain preferential transmission. In males, the most common mechanism of drive involves the disruption of sperm bearing alternative alleles. While at least two loci are important for male drive— the driver and the target— linked modifiers can enhance drive, creating selection pressure to suppress recombination. In this work, we investigate the evolution and genomic consequences of an autosomal multilocus, male meiotic drive system, Segregation Distorter ( SD ) in the fruit fly, Drosophila melanogaster . In African populations, the predominant SD chromosome variant, SD-Mal , is characterized by two overlapping, paracentric inversion on chromosome arm 2R and nearly perfect (~100%) transmission. We study the SD-Mal system in detail, exploring its components, chromosomal structure, and evolutionary history. Our findings reveal a recent chromosome-scale selective sweep mediated by strong epistatic selection for haplotypes carrying Sd , the main driving allele, and one or more factors within the double inversion. While most SD-Mal chromosomes are homozygous lethal, SD-Mal haplotypes can recombine with other, complementing haplotypes via crossing over and with wildtype chromosomes only via gene conversion. SD-Mal chromosomes have nevertheless accumulated lethal mutations, excess non-synonymous mutations, and excess transposable element insertions. Therefore, SD-Mal haplotypes evolve as a small, semi-isolated subpopulation with a history of strong selection. These results may explain the evolutionary turnover of SD haplotypes in different populations around the world and have implications for supergene evolution broadly.