Abstract Bats possess extraordinary adaptations, including flight, echolocation, extreme longevity and unique immunity. High-quality genomes are crucial for understanding the molecular basis and evolution of these traits. Here we incorporated long-read sequencing and state-of-the-art scaffolding protocols 1 to generate, to our knowledge, the first reference-quality genomes of six bat species ( Rhinolophus ferrumequinum , Rousettus aegyptiacus , Phyllostomus discolor , Myotis myotis , Pipistrellus kuhlii and Molossus molossus ). We integrated gene projections from our ‘Tool to infer Orthologs from Genome Alignments’ (TOGA) software with de novo and homology gene predictions as well as short- and long-read transcriptomics to generate highly complete gene annotations. To resolve the phylogenetic position of bats within Laurasiatheria, we applied several phylogenetic methods to comprehensive sets of orthologous protein-coding and noncoding regions of the genome, and identified a basal origin for bats within Scrotifera. Our genome-wide screens revealed positive selection on hearing-related genes in the ancestral branch of bats, which is indicative of laryngeal echolocation being an ancestral trait in this clade. We found selection and loss of immunity-related genes (including pro-inflammatory NF-κB regulators) and expansions of anti-viral APOBEC3 genes, which highlights molecular mechanisms that may contribute to the exceptional immunity of bats. Genomic integrations of diverse viruses provide a genomic record of historical tolerance to viral infection in bats. Finally, we found and experimentally validated bat-specific variation in microRNAs, which may regulate bat-specific gene-expression programs. Our reference-quality bat genomes provide the resources required to uncover and validate the genomic basis of adaptations of bats, and stimulate new avenues of research that are directly relevant to human health and disease 1 .

Abstract Annotating coding genes and inferring orthologs are two classical challenges in genomics and evolutionary biology that have traditionally been approached separately, limiting scalability. We present TOGA, a method that integrates structural gene annotation and orthology inference. TOGA implements a different paradigm to infer orthologous loci, improves ortholog detection and annotation of conserved genes compared to state-of-the-art methods, and handles even highly-fragmented assemblies. TOGA scales to hundreds of genomes, which we demonstrate by applying it to 488 placental mammal and 501 bird assemblies, creating the largest comparative gene resources so far. Additionally, TOGA detects gene losses, enables selection screens, and automatically provides a superior measure of mammalian genome quality. Together, TOGA is a powerful and scalable method to annotate and compare genes in the genomic era.

Abstract Feeding exclusively on blood, vampire bats represent the only obligate sanguivorous lineage among mammals. To uncover genomic changes associated with adaptations to this unique dietary specialization, we generated a new haplotype-resolved reference-quality genome of the common vampire bat ( Desmodus rotundus ) and screened 26 bat species for genes that were specifically lost in the vampire bat lineage. We discovered previously-unknown gene losses that relate to metabolic and physiological changes, such as reduced insulin secretion ( FFAR1 , SLC30A8 ), limited glycogen stores ( PPP1R3E ), and a distinct gastric physiology ( CTSE ). Other gene losses likely reflect the biased nutrient composition ( ERN2 , CTRL ) and distinct pathogen diversity of blood ( RNASE7 ). Interestingly, the loss of REP15 likely helped vampire bats to adapt to high dietary iron levels by enhancing iron excretion and the loss of the 24S-hydroxycholesterol metabolizing enzyme CYP39A1 could contribute to their exceptional cognitive abilities. Finally, losses of key cone phototransduction genes ( PDE6H , PDE6C ) suggest that these strictly-nocturnal bats completely lack cone-based vision. These findings enhance our understanding of vampire bat biology and the genomic underpinnings of adaptations to sanguivory.

Abstract The Nile rat ( Avicanthis niloticus ) is an important animal model for biomedical research, including the study of diurnal rhythms and type 2 diabetes. Here, we report a 2.5 Gb, chromosome-level reference genome assembly with fully resolved parental haplotypes, generated with the Vertebrate Genomes Project (VGP). The assembly is highly contiguous, with contig N50 of 11.1 Mb, scaffold N50 of 83 Mb, and 95.2% of the sequence assigned to chromosomes. We used a novel workflow to identify 3,613 segmental duplications and quantify duplicated genes. Comparative analyses revealed unique genomic features of the Nile rat, including those that affect genes associated with type 2 diabetes and metabolic dysfunctions. These include 14 genes that are heterozygous in the Nile rat or highly diverged from the house mouse. Our findings reflect the exceptional level of genomic detail present in this assembly, which will greatly expand the potential of the Nile rat as a model organism for genetic studies.

Bats account for ~20% of all extant mammal species and are considered exceptional given their extraordinary adaptations, including biosonar, true flight, extreme longevity, and unparalleled immune systems. To understand these adaptations, we generated reference-quality genomes of six species representing the key divergent lineages. We assembled these genomes with a novel pipeline incorporating state-of-the-art long-read and long-range sequencing and assembly techniques. The genomes were annotated using a maximal evidence approach, de novo predictions, protein/mRNA alignments, Iso-seq long read and RNA-seq short read transcripts, and gene projections from our new TOGA pipeline, retrieving virtually all (>99%) mammalian BUSCO genes. Phylogenetic analyses of 12,931 protein coding-genes and 10,857 conserved non-coding elements identified across 48 mammalian genomes helped to resolve bats' closest extant relatives within Laurasiatheria, supporting a basal position for bats within Scrotifera. Genome-wide screens along the bat ancestral branch revealed (a) selection on hearing-involved genes (e.g LRP2, SERPINB6, TJP2), which suggest that laryngeal echolocation is a shared ancestral trait of bats; (b) selection (e.g INAVA, CXCL13, NPSR1) and loss of immunity related proteins (e.g. LRRC70, IL36G), including pro-inflammatory NF-kB signalling; and (c) expansion of the APOBEC family, associated with restricting viral infection, transposon activity and interferon signalling. We also identified unique integrated viruses, indicating that bats have a history of tolerating viral pathogens, lethal to other mammal species. Non-coding RNA analyses identified variant and novel microRNAs, revealing regulatory relationships that may contribute to phenotypic diversity in bats. Together, our reference-quality genomes, high-quality annotations, genome-wide screens and in-vitro tests revealed previously unknown genomic adaptations in bats that may explain their extraordinary traits.

Detecting associations between genomic changes and phenotypic differences is fundamental to understanding how phenotypes evolved. By systematically screening for parallel amino acid substitutions, we detected known as well as novel cases (Strc, Tecta, Cabp2) of parallelism between echolocating bats and toothed whales in proteins that could contribute to high frequency hearing adaptations. Interestingly, our screen also showed that echolocating mammals exhibit an unusually high number of parallel substitutions in fast-twitch muscle fiber proteins. Both bats and dolphins produce an extremely rapid call rate when homing in on their prey, which was shown in bats to be powered by specialized superfast muscles. We show that these genes with parallel substitutions (Casq1, Atp2a1, Myh2, Myl1) are expressed in the superfast sound-producing muscle of bats. Furthermore, we found that the calcium storage protein calsequestrin 1 of bats and dolphins functionally converged in its ability to form calcium-sequestering polymers at lower calcium concentrations, which may contribute to rapid calcium transients required for superfast muscle physiology. The proteins that our genomic screen detected could be involved in the convergent evolution of vocalization in echolocating mammals by potentially contributing to both rapid Ca2+ transients and increased shortening velocities in superfast muscles.

Abstract Despite decades of research, knowledge about the genes that are important for development and function of the mammalian eye and are involved in human eye disorders remains incomplete. During mammalian evolution, mammals that naturally exhibit poor vision or regressive eye phenotypes have independently lost many eye-related genes. This provides an opportunity to predict novel eye-related genes based on specific evolutionary gene loss signatures. Building on these observations, we performed a genome-wide screen across 49 mammals for functionally uncharacterized genes that are preferentially lost in species exhibiting lower visual acuity values. The screen uncovered several genes, including SERPINE3 , a putative serine proteinase inhibitor. A detailed investigation of 381 additional mammals revealed that SERPINE3 is independently lost in 18 lineages that typically do not primarily rely on vision, predicting a vision-related function for this gene. To test this, we show that SERPINE3 has the highest expression in eyes of zebrafish and mouse. In the zebrafish retina, serpine3 is expressed in Mueller glia cells, a cell type essential for survival and maintenance of the retina. A CRISPR-mediated knockout of serpine3 in zebrafish resulted in alterations in eye shape and defects in retinal layering. Furthermore, two human polymorphisms that are in linkage with SERPINE3 are associated with eye-related traits. Together, these results suggest that SERPINE3 has a role in vertebrate eyes. More generally, by integrating comparative genomics with experiments in model organisms, we show that screens for specific phenotype-associated gene signatures can predict functions of uncharacterized genes.