Abstract We present a de novo assembly of a eukaryote transcriptome using 454 pyrosequencing data. The Glanville fritillary butterfly ( Melitaea cinxia ; Lepidoptera: Nymphalidae) is a prominent species in population biology but had no previous genomic data. Sequencing runs using two normalized complementary DNA collections from a genetically diverse pool of larvae, pupae, and adults yielded 608 053 expressed sequence tags (mean length = 110 nucleotides), which assembled into 48 354 contigs (sets of overlapping DNA segments) and 59 943 singletons. blast comparisons confirmed the accuracy of the sequencing and assembly, and indicated the presence of c . 9000 unique genes, along with > 6000 additional microarray‐confirmed unannotated contigs. Average depth of coverage was 6.5‐fold for the longest 4800 contigs (348–2849 bp in length), sufficient for detecting large numbers of single nucleotide polymorphisms. Oligonucleotide microarray probes designed from the assembled sequences showed highly repeatable hybridization intensity and revealed biological differences among individuals. We conclude that 454 sequencing, when performed to provide sufficient coverage depth, allows de novo transcriptome assembly and a fast, cost‐effective, and reliable method for development of functional genomic tools for nonmodel species. This development narrows the gap between approaches based on model organisms with rich genetic resources vs. species that are most tractable for ecological and evolutionary studies.

•There are few examples of genomic data being used in conservation biology. •Many uncertainties accompany genomic analyses and interpretations. •We discuss how best to deal with these uncertainties in a conservation setting. •We outline why uptake has been difficult for practitioners and offer a solution. The global loss of biodiversity continues at an alarming rate. Genomic approaches have been suggested as a promising tool for conservation practice as scaling up to genome-wide data can improve traditional conservation genetic inferences and provide qualitatively novel insights. However, the generation of genomic data and subsequent analyses and interpretations remain challenging and largely confined to academic research in ecology and evolution. This generates a gap between basic research and applicable solutions for conservation managers faced with multifaceted problems. Before the real-world conservation potential of genomic research can be realized, we suggest that current infrastructures need to be modified, methods must mature, analytical pipelines need to be developed, and successful case studies must be disseminated to practitioners. The global loss of biodiversity continues at an alarming rate. Genomic approaches have been suggested as a promising tool for conservation practice as scaling up to genome-wide data can improve traditional conservation genetic inferences and provide qualitatively novel insights. However, the generation of genomic data and subsequent analyses and interpretations remain challenging and largely confined to academic research in ecology and evolution. This generates a gap between basic research and applicable solutions for conservation managers faced with multifaceted problems. Before the real-world conservation potential of genomic research can be realized, we suggest that current infrastructures need to be modified, methods must mature, analytical pipelines need to be developed, and successful case studies must be disseminated to practitioners. a region of the genome under selection that encodes a phenotype (or is closely linked to a causative locus) with fitness consequences in a particular environment. the process of delineating and assigning function to genetic sequences. the loss of genetic diversity at neutrally evolving sites that are linked to sites under purifying selection. genes putatively underlying variation in a certain phenotype. a retrospective population genetics framework that traces genetic variants of a locus to the most recent common ancestor. Used to infer demographic parameters of population histories. uses genetic markers to help conserve biodiversity and manage species and populations. Traditional genetic markers include allozymes, microsatellites, and targeted gene sequences. uses genome-wide information to help conserve biodiversity and manage species and populations. Genomic data is derived from high-throughput sequencing technology. Relevant examples are whole genome resequencing and targeted approaches like exome sequencing, GBS, SNP genotyping, and transcriptome sequencing. a population genetics convention describing the number of breeding individuals in an ideal population that would lose genetic variation at the same rate as the observed population. DNA found in environmental samples (e.g., water, soil) that can be used in genetic or genomic analysis. This contrasts with traditional approaches that target a specific organism or tissue. the loss of genetic variants due to random sampling from one generation to the next. the process of ordering and orienting sequencing into a contiguous consensus sequence of the genome. the sequencing of a repeatable subset of the genome seeded by restriction enzyme recognition sites. Restriction site-associated DNA sequencing (RAD-seq) is another commonly used term. particular combinations of alleles at collinear positions along a stretch of DNA. the increase of genomic segments in identity by descent due to mating between closely related individuals. Results in an increase in homozygosity, potentially revealing detrimental recessive alleles with negative fitness consequences. the non-random association of alleles at two or more loci. homologous DNA sequence descended from a shared common ancestor. a region of the genome that, based on user-defined criteria (often extreme population differentiation), deviates from the rest of the entire genome. the process of genetic exchange between homologous chromosomes, often resulting in a new combination of alleles. the set of all RNA molecules transcribed from a DNA template.

Coevolutionary interactions are thought to have spurred the evolution of key innovations and driven the diversification of much of life on Earth. However, the genetic and evolutionary basis of the innovations that facilitate such interactions remains poorly understood. We examined the coevolutionary interactions between plants (Brassicales) and butterflies (Pieridae), and uncovered evidence for an escalating evolutionary arms-race. Although gradual changes in trait complexity appear to have been facilitated by allelic turnover, key innovations are associated with gene and genome duplications. Furthermore, we show that the origins of both chemical defenses and of molecular counter adaptations were associated with shifts in diversification rates during the arms-race. These findings provide an important connection between the origins of biodiversity, coevolution, and the role of gene and genome duplications as a substrate for novel traits.

Increasing the number of characters used in phylogenetic studies is the next crucial step towards generating robust and stable phylogenetic hypotheses—i.e., strongly supported and consistent across reconstruction method. Here we describe a genomic approach to finding new protein-coding genes for systematics in nonmodel taxa, which can be PCR amplified from standard, slightly degraded genomic DNA extracts. We test this approach on Lepidoptera, searching the draft genomic sequence of the silk moth Bombyx mori, for exons > 500 bp in length, removing annotated gene families, and compared remaining exons with butterfly EST databases to identify conserved regions for primer design. These primers were tested on a set of 65 taxa primarily in the butterfly family Nymphalidae. We were able to identify and amplify six previously unused gene regions (Arginine Kinase, GAPDH, IDH, MDH, RpS2, and RpS5) and two rarely used gene regions (CAD and DDC) that when added to the three traditional gene regions (COI, EF-1α and wingless) gave a data set of 8114 bp. Phylogenetic robustness and stability increased with increasing numbers of genes. Smaller taxanomic subsets were also robust when using the full gene data set. The full 11-gene data set was robust and stable across reconstruction methods, recovering the major lineages and strongly supporting relationships within them. Our methods and insights should be applicable to taxonomic groups having a single genomic reference species and several EST databases from taxa that diverged less than 100 million years ago.

Advances in phenology (the annual timing of species' life-cycles) in response to climate change are generally viewed as bioindicators of climate change, but have not been considered as predictors of range expansions. Here, we show that phenology advances combine with the number of reproductive cycles per year (voltinism) to shape abundance and distribution trends in 130 species of British Lepidoptera, in response to ~0.5 °C spring-temperature warming between 1995 and 2014. Early adult emergence in warm years resulted in increased within- and between-year population growth for species with multiple reproductive cycles per year (n = 39 multivoltine species). By contrast, early emergence had neutral or negative consequences for species with a single annual reproductive cycle (n = 91 univoltine species), depending on habitat specialisation. We conclude that phenology advances facilitate polewards range expansions in species exhibiting plasticity for both phenology and voltinism, but may inhibit expansion by less flexible species.

Ehrlich and Raven formally introduced the concept of stepwise coevolution using butterfly and angiosperm interactions in an attempt to account for the impressive biological diversity of these groups. However, many biologists currently envision butterflies evolving 50 to 30 million years (Myr) after the major angiosperm radiation and thus reject coevolutionary origins of butterfly biodiversity. The unresolved central tenet of Ehrlich and Raven's theory is that evolution of plant chemical defenses is followed closely by biochemical adaptation in insect herbivores, and that newly evolved detoxification mechanisms result in adaptive radiation of herbivore lineages. Using one of their original butterfly-host plant systems, the Pieridae, we identify a pierid glucosinolate detoxification mechanism, nitrile-specifier protein (NSP), as a key innovation. Larval NSP activity matches the distribution of glucosinolate in their host plants. Moreover, by using five different temporal estimates, NSP seems to have evolved shortly after the evolution of the host plant group (Brassicales) ( approximately 10 Myr). An adaptive radiation of these glucosinolate-feeding Pierinae followed, resulting in significantly elevated species numbers compared with related clades. Mechanistic understanding in its proper historical context documents more ancient and dynamic plant-insect interactions than previously envisioned. Moreover, these mechanistic insights provide the tools for detailed molecular studies of coevolution from both the plant and insect perspectives.

Summary Restriction site‐associated DNA sequencing (RAD‐seq) provides high‐resolution population genomic data at low cost, and has become an important component in ecological and evolutionary studies. As with all high‐throughput technologies, analytic strategies require critical validation to ensure precise and unbiased interpretation. To test the impact of bioinformatic data processing on downstream population genetic inferences, we analysed mammalian RAD‐seq data (>100 individuals) with 312 combinations of methodology ( de novo vs. mapping to references of increasing divergence) and filtering criteria (missing data, HWE, F IS , coverage, mapping and genotype quality). In an effort to identify commonalities and biases in all pipelines, we computed summary statistics (nr. loci, nr. SNP, π, Het obs , F IS , F ST , N e and m) and compared the results to independent null expectations (isolation‐by‐distance correlation, expected transition‐to‐transversion ratio T s /T v and Mendelian mismatch rates of known parent–offspring trios). We observed large differences between reference‐based and de novo approaches, the former generally calling more SNPs and reducing F IS and T s /T v . Data completion levels showed little impact on most summary statistics, and F ST estimates were robust across all pipelines. The site frequency spectrum was highly sensitive to the chosen approach as reflected in large variance of parameter estimates across demographic scenarios (single‐population bottlenecks and isolation‐with‐migration model). Null expectations were best met by reference‐based approaches, although contingent on the specific criteria. We recommend that RAD‐seq studies employ reference‐based approaches to a closely related genome, and due to the high stochasticity associated with the pipeline advocate the use of multiple pipelines to ensure robust population genetic and demographic inferences.

The macroevolutionary history of the megadiverse insect order Lepidoptera remains little-known, yet coevolutionary dynamics with their angiospermous host plants are thought to have influenced their diversification significantly. We estimate the divergence times of all higher-level lineages of Lepidoptera, including most extant families. We find that the diversification of major lineages in Lepidoptera are approximately equal in age to the crown group of angiosperms and that there appear to have been three significant increases in diversification rates among Lepidoptera over evolutionary time: 1) at the origin of the crown group of Ditrysia about 150 million years ago (mya), 2) at the origin of the stem group of Apoditrysia about 120 mya and finally 3) a spectacular increase at the origin of the stem group of the quadrifid noctuoids about 70 mya. In addition, there appears to be a significant increase in diversification rate in multiple lineages around 90 mya, which is concordant with the radiation of angiosperms. Almost all extant families appear to have begun diversifying soon after the Cretaceous/Paleogene event 65.51 mya.

Abstract Museomics is a valuable tool that utilises the diverse biobanks that are natural history museums. The ability to sequence genomes from old specimens has expanded not only the variety of interesting taxa available to study but also the scope of questions that can be investigated in order to further knowledge about biodiversity. Here we present whole genome sequencing results from the enigmatic genus Whalleyana , as well as the families Callidulidae and Hyblaeidae. Library preparation was carried out on four museum specimens and one existing DNA extract and sequenced with Illumina short reads. De novo assembly resulted in highly fragmented genomes with the N50 ranging from 317 – 2,078 bp. Mining of a manually curated gene set of 332 genes from these draft genomes had an overall gene recovery rate of 64 – 90%. Phylogenetic analysis places Whalleyana as sister to Callidulidae, and Hyblaea as sister to Pyraloidea. Since the former sister-group relationship turns out to be also supported by ten morphological synapomorphies, we propose to formally assign the Whalleyanidae to the superfamily Calliduloidea. These results highlight the usefulness of not only museum specimens, but also existing DNA extracts, for whole genome sequencing and gene mining for phylogenomic studies.

Abstract Alternative life-history strategies (ALHS) are genetic polymorphisms generating phenotypes differing in life histories that generally arise due to metabolic resource allocation tradeoffs. Althouigh ALHS are often be limited to a single sex or populations of a species, they can, in rare cases, be found among several species across a genus. In the butterfly genus Colias , at least a third of the species have a female limited ALHS called Alba. While many females develop brightly pigmented wings, Alba females reallocate nitrogen resources used in pigment synthesis to reproductive development, producing white-winged, more fecund females. Whether this ALHS evolved once or many times, and whether it has moved among species via introgression or been maintained via long-term balancing selection, has not been established. Answering these questions presents an opportunity to investigate the genetic basis and evolutionary forces acting upon ALHS, which have rarely been studied at a genus level. Here we identify the genetic locus of Alba in a second Colias species, allowing us to compare this with previous results in a larger phylogenetic context. Our findings suggest Alba has a singular origin and has been maintained in Colias through a combination of balancing selection and introgression for nearly one million years and at least as many generations. Finally, using CRISPR/Cas9 deletions in the cis-regulatory region of the Alba allele, we demonstrate that the Alba allele is a modular enhancer for the BarH1 gene and is necessary for the induction of the ALHS, which potentially facilitates its long-term persistence in the genus.