The whole-genome duplication 80 million years ago of the common ancestor of salmonids (salmonid-specific fourth vertebrate whole-genome duplication, Ss4R) provides unique opportunities to learn about the evolutionary fate of a duplicated vertebrate genome in 70 extant lineages. Here we present a high-quality genome assembly for Atlantic salmon (Salmo salar), and show that large genomic reorganizations, coinciding with bursts of transposon-mediated repeat expansions, were crucial for the post-Ss4R rediploidization process. Comparisons of duplicate gene expression patterns across a wide range of tissues with orthologous genes from a pre-Ss4R outgroup unexpectedly demonstrate far more instances of neofunctionalization than subfunctionalization. Surprisingly, we find that genes that were retained as duplicates after the teleost-specific whole-genome duplication 320 million years ago were not more likely to be retained after the Ss4R, and that the duplicate retention was not influenced to a great extent by the nature of the predicted protein interactions of the gene products. Finally, we demonstrate that the Atlantic salmon assembly can serve as a reference sequence for the study of other salmonids for a range of purposes.

Age at maturity in Atlantic salmon (Salmo salar) is governed to a substantial extent by a locus showing dominance reversal, providing a resolution for sexual conflict in this trait, for which selection favours different ages in the two sexes. Craig Primmer and colleagues use genome-wide association studies for age at maturity in Atlantic salmon to show that a single gene, VGLL3, strongly influences the variation in age at maturity, and therefore body size—a key trait in an important fished species. They find that the VGLL3 locus is an example of sex-dependent dominance, promoting earlier and later maturation in males and females, respectively. This mechanism provides a resolution for sexual conflict in this trait, for which selection favours different reproductive ages in the two sexes. Females benefit from being large (5–15 kg), and stay longer at sea feeding by maturing later, while males can have high fitness maturing at smaller sizes (1–3 kg). This discovery will have a substantial impact on population management of Atlantic salmon, where a decrease in the frequency of late maturation has been observed in many populations. Males and females share many traits that have a common genetic basis; however, selection on these traits often differs between the sexes, leading to sexual conflict1,2. Under such sexual antagonism, theory predicts the evolution of genetic architectures that resolve this sexual conflict2,3,4,5. Yet, despite intense theoretical and empirical interest, the specific loci underlying sexually antagonistic phenotypes have rarely been identified, limiting our understanding of how sexual conflict impacts genome evolution3,6 and the maintenance of genetic diversity6,7. Here we identify a large effect locus controlling age at maturity in Atlantic salmon (Salmo salar), an important fitness trait in which selection favours earlier maturation in males than females8, and show it is a clear example of sex-dependent dominance that reduces intralocus sexual conflict and maintains adaptive variation in wild populations. Using high-density single nucleotide polymorphism data across 57 wild populations and whole genome re-sequencing, we find that the vestigial-like family member 3 gene (VGLL3) exhibits sex-dependent dominance in salmon, promoting earlier and later maturation in males and females, respectively. VGLL3, an adiposity regulator associated with size and age at maturity in humans, explained 39% of phenotypic variation, an unexpectedly large proportion for what is usually considered a highly polygenic trait. Such large effects are predicted under balancing selection from either sexually antagonistic or spatially varying selection9,10. Our results provide the first empirical example of dominance reversal allowing greater optimization of phenotypes within each sex, contributing to the resolution of sexual conflict in a major and widespread evolutionary trade-off between age and size at maturity. They also provide key empirical evidence for how variation in reproductive strategies can be maintained over large geographical scales. We anticipate these findings will have a substantial impact on population management in a range of harvested species where trends towards earlier maturation have been observed.

Abstract Traits with different fitness optima in males and females cause sexual conflict when they have a shared genetic basis. Heteromorphic sex chromosomes can resolve this conflict and protect sexually antagonistic polymorphisms but accumulate deleterious mutations. However, many taxa lack differentiated sex chromosomes, and how sexual conflict is resolved in these species is largely unknown. Here we present a chromosome-anchored genome assembly for rainbow trout ( Oncorhynchus mykiss ) and characterize a 56 Mb double-inversion supergene that mediates sex-specific migration through sex-dependent dominance, a mechanism that reduces sexual conflict. The double-inversion contains key photosensory, circadian rhythm, adiposity, and sexual differentiation genes and displays frequency clines associated with latitude and temperature, revealing environmental dependence. Our results constitute the first example of sex-dependent dominance across a large autosomal supergene, a novel mechanism for sexual conflict resolution capable of protecting polygenic sexually antagonistic variation while avoiding the homozygous lethality and deleterious mutation load of heteromorphic sex chromosomes.

Abstract Structural variants (SVs) are a major source of genetic and phenotypic variation, but remain challenging to accurately type and are hence poorly characterized in most species. We present an approach for reliable SV discovery in non-model species using whole genome sequencing and report 15,483 high-confidence SVs in 492 Atlantic salmon ( Salmo salar L.) sampled from a broad phylogeographic distribution. These SVs recover population genetic structure with high resolution, include an active DNA transposon, widely affect functional features, and overlap more duplicated genes retained from an ancestral salmonid autotetraploidization event than expected. Changes in SV allele frequency between wild and farmed fish indicate polygenic selection on behavioural traits during domestication, targeting brain-expressed synaptic networks linked to neurological disorders in humans. This study offers novel insights into the role of SVs in genome evolution and the genetic architecture of domestication traits, along with resources supporting reliable SV discovery in non-model species.

ABSTRACT Resolving the genetic architecture of fitness-related traits is key to understanding the evolution and maintenance of fitness variation. However, well-characterized genetic architectures of such traits in wild populations remain uncommon. In this study, we used haplotype-based and multi-SNP Bayesian association methods with sequencing data for 313 individuals from wild populations to further characterize known candidate regions for sea age at maturation in Atlantic salmon ( Salmo salar ). We detected an association at five loci (on chromosomes ssa06 , ssa09 , ssa21 , and ssa25 ) out of 116 candidates previously identified in an aquaculture strain with maturation timing in wild Atlantic salmon. We found that at each of these five loci, variation explained by the locus was predominantly driven by a single SNP suggesting the genetic architecture of Atlantic salmon maturation includes multiple loci with simple, non-clustered alleles. This highlights the diversity of genetic architectures that can exist for fitness-related traits. Furthermore, this study provides a useful multi-SNP framework for future work using sequencing data to characterize genetic variation underlying phenotypes in wild populations.

Abstract Anadromous salmonids begin life adapted to the freshwater environments of their natal streams before a developmental transition, known as smoltification, transforms them into marine-adapted fish. In the wild, the extending photoperiods of spring stimulates smoltification, typified by radical reprogramming of the gill from an ion-absorbing organ to ion-excreting organ. Prior work has highlighted the role of specialized “mitochondrion-rich” cells in delivering this phenotype. However, transcriptomic studies identify thousands of smoltification-driven differentially regulated genes, indicating that smoltification causes a multifaceted, multicellular change; but direct evidence of this is lacking. Here, we use single-nuclei RNAseq to characterize the Atlantic salmon gill during smoltification and seawater transfer. We identify 20 distinct clusters of nuclei, including known, but also novel gill cell types. These data allow us to isolate cluster-specific, smoltification-induced changes in gene expression. We also show how cellular make-up of the gill changes through smoltification. As expected, we noted an increase in the proportion of seawater mitochondrion-rich cells, however, we also identify a reduction of several immune-related cells. Overall, our results provide unrivaled detail of the cellular complexity in the gill and suggest that smoltification triggers unexpected immune reprogramming directly preceding seawater entry.

Males and females share many traits that have a common genetic basis, however selection on these traits often differs between the sexes leading to sexual conflict. Under such sexual antagonism, theory predicts the evolution of genetic architectures that resolve this sexual conflict. Yet, despite intense theoretical and empirical interest, the specific genetic loci behind sexually antagonistic phenotypes have rarely been identified, limiting our understanding of how sexual conflict impacts genome evolution and the maintenance of genetic diversity. Here, we identify a large effect locus controlling age at maturity in 57 salmon populations, an important fitness trait in which selection favours earlier maturation in males than females, and show it is a clear example of sex dependent dominance reducing intralocus sexual conflict and maintaining adaptive variation in wild populations. Using high density SNP data and whole genome re-sequencing, we found that vestigial-like family member 3 (VGLL3) exhibits sex-dependent dominance in salmon, promoting earlier and later maturation in males and females, respectively. VGLL3, an adiposity regulator associated with size and age at maturity in humans, explained 39.4% of phenotypic variation, an unexpectedly high effect size for what is usually considered a highly polygenic trait. Such large effects are predicted under balancing selection from either sexually antagonistic or spatially varying selection. Our results provide the first empirical example of dominance reversal permitting greater optimisation of phenotypes within each sex, contributing to the resolution of sexual conflict in a major and widespread evolutionary trade-off between age and size at maturity. They also provide key empirical evidence for how variation in reproductive strategies can be maintained over large geographical scales. We further anticipate these findings will have a substantial impact on population management in a range of harvested species where trends towards earlier maturation have been observed