We used 20 de novo genome assemblies to probe the speciation history and architecture of gene flow in rapidly radiating Heliconius butterflies. Our tests to distinguish incomplete lineage sorting from introgression indicate that gene flow has obscured several ancient phylogenetic relationships in this group over large swathes of the genome. Introgressed loci are underrepresented in low-recombination and gene-rich regions, consistent with the purging of foreign alleles more tightly linked to incompatibility loci. Here, we identify a hitherto unknown inversion that traps a color pattern switch locus. We infer that this inversion was transferred between lineages by introgression and is convergent with a similar rearrangement in another part of the genus. These multiple de novo genome sequences enable improved understanding of the importance of introgression and selective processes in adaptive radiation.

Abstract The ability to recognize and discriminate among others is a frequent assumption of models of the evolution of cooperative behavior. At the same time, cooperative behavior has been proposed as a selective agent favoring the evolution of individual recognition abilities. While theory predicts that recognition and cooperation may co-evolve, data linking recognition abilities and cooperative behavior with fitness or evidence of selection are elusive. Here, we provide evidence of a fitness link between individual recognition and cooperation in the paper wasp Polistes fuscatus . Nest founding females in northern populations frequently form cooperative multiple foundress nests and possess highly variable facial patterns that mediate individual recognition. We describe a dearth of cooperative nesting, low phenotypic diversity, and a lack of individual recognition in southern populations. In a common garden experiment, northern co-foundress associations successfully reared offspring while all cooperative southern groups failed to rear any offspring, suggesting a fitness link between individual recognition and successful cooperation. Consistent with a selective link between individual recognition and cooperation, we find that rates of cooperative co-nesting correlate with identity-signaling color pattern diversity across the species’ range. Moreover, genomic evidence of recent positive selection on cognition loci likely to mediate individual recognition is substantially stronger in northern compared to southern P. fuscatus populations. Collectively, these data suggest that individual recognition and cooperative nesting behavior have co-evolved in P. fuscatus because recognition helps mediate conflict among co-nesting foundresses. This work provides evidence of a specific cognitive phenotype under selection because of social interactions, supporting the idea that social behavior can be a key driver of cognitive evolution.

Abstract Color is an important source of biological information in fields ranging from disease ecology to sexual selection. Despite its importance, most metrics for color are restricted to point measurements. Methods for moving beyond point measurements rely on color maps, where every pixel in an image is assigned to one of a set of discrete color classes (color segmentation). Manual methods for color segmentation are slow and subjective, while existing automated methods often fail due to biological variation in pattern, technical variation in images, and poor scalability for batch clustering. As a result, color segmentation is the common bottleneck step for a majority of existing downstream analyses. Here we present recolorize , an R package for color segmentation that succeeds in many cases where existing methods fail. Recolorize has three major components: (1) an effective two-part clustering algorithm where color distributions are binned and combined according to perceived similarity in a frequency-independent manner; (2) a toolkit for minor manual adjustments to automatic output where needed; and (3) flexible export options. This paper illustrates how to use recolorize and compares it to existing methods, including examples where we segment formerly intractable images, and demonstrates the downstream use of methods that rely on color maps.

Abstract Despite insertions and deletions being the most common structural variants (SVs) found across genomes, not much is known about how much these SVs vary within populations and between closely related species, nor their significance in evolution. To address these questions, we characterized the evolution of indel SVs using genome assemblies of three closely related Heliconius butterfly species. Over the relatively short evolutionary timescales investigated, up to 18.0% of the genome was composed of indels between two haplotypes of an individual H. charithonia butterfly and up to 62.7% included lineage-specific SVs between the genomes of the most distant species (11 Mya). Lineage-specific sequences were mostly characterized as transposable elements (TEs) inserted at random throughout the genome and their overall distribution was similarly affected by linked selection as single nucleotide substitutions. Using chromatin accessibility profiles (i.e., ATAC-seq) of head tissue in caterpillars to identify sequences with potential cis -regulatory function, we found that out of the 31,066 identified differences in chromatin accessibility between species, 30.4% were within lineage-specific SVs and 9.4% were characterized as TE insertions. These TE insertions were localized closer to gene transcription start sites than expected at random and were enriched for several transcription factor binding site candidates with known function in neuron development in Drosophila . We also identified 24 TE insertions with head-specific chromatin accessibility. Our results show high rates of structural genome evolution that were previously overlooked in comparative genomic studies and suggest a high potential for structural variation to serve as raw material for adaptive evolution.

Abstract In many species, individuals can develop into strikingly different morphs, which are determined by a simple Mendelian locus. How selection shapes loci that control complex phenotypic differences remains poorly understood. In the spider Oedothorax gibbosus , males either develop into a ‘hunched’ morph with conspicuous head structures or as a fast developing ‘flat’ morph with a female-like appearance. We show that the hunched-differs from the flat-determining allele by a hunch-specific genomic fragment of approximately 3 megabases. This fragment comprises dozens of genes that duplicated from genes found at different chromosomes. All functional duplicates, including doublesex - a key sexual differentiation regulatory gene, show male-specific expression, which illustrates their combined role as a masculinizing supergene. Our findings demonstrate how extensive indel polymorphisms and duplications of regulatory genes may contribute to the evolution of co-adapted gene clusters, sex-limited reproductive morphs, and the enigmatic evolution of exaggerated sexual traits in general.

Abstract Key innovations play a central role in the diversification of lineages, yet our understanding of the mechanisms underlying their emergence remains fragmented. The propelling fan is a key innovation associated with the diversification of Rhagovelia water striders into fast flowing streams. Here, we show that a single giant cell is responsible for the development of the fan throughout embryogenesis. RNA interference against the fan-specific gene family gsha / mogsha depleted the fan in the embryo but did not alter the giant cell, indicating that these genes are not required for specifying the identity of this cell. gsha / mogsha instead seem to activate the expression of cuticular genes during early development, suggesting a role of these genes in regulating the accumulation of fan structural proteins. We also show that Hox genes act to block the giant cell in the fore- and rear-legs, thus restricting its fate to the mid-legs – the pair of legs that generates movement on water. In addition, Hox expression is specifically excluded from the giant cell, thus allowing the expression of the fan’s developmental genetic program. This study reveals that a single cell can be sufficient to generate innovative traits that have been central for a lineage to acquire new ecological opportunities and burst into diversification. One-sentence summary A single giant cell orchestrates the developmental genetic program of a key innovation

Abstract Sex chromosomes are disproportionately involved in reproductive isolation and adaptation. In support of such a ‘large-X’ effect, genome scans between recently diverged populations or species pairs often identify distinct patterns of divergence on the sex chromosome compared to autosomes. When measures of divergence between populations are higher on the sex chromosome compared to autosomes, such patterns could be interpreted as evidence for faster divergence on the sex chromosome, i.e. ‘faster-X’, or barriers to gene flow on the sex chromosome. However, demographic changes can strongly skew divergence estimates and are not always taken into consideration. We used 224 whole genome sequences representing 36 populations from two Heliconius butterfly clades ( H. erato and H. melpomene ) to explore patterns of Z chromosome divergence. We show that increased divergence compared to equilibrium expectations can in many cases be explained by demographic change. Among Heliconius erato populations, for instance, population size increase in the ancestral population can explain increased absolute divergence measures on the Z chromosome compared to the autosomes, as a result of increased ancestral Z chromosome genetic diversity. Nonetheless, we do identify increased divergence on the Z chromosome relative to the autosomes in parapatric or sympatric species comparisons that imply post-zygotic reproductive barriers. Using simulations, we show that this is consistent with reduced gene flow on the Z chromosome, perhaps due to greater accumulation of species incompatibilities. Our work demonstrates the importance of constructing an appropriate demographic null model in order to interpret patterns of divergence on the Z chromosome, but nonetheless provides evidence to support the Z chromosome as a strong barrier to gene flow in incipient Heliconius butterfly species.

Abstract In Heliconius butterflies, wing pattern diversity is controlled by a few genes of large effect that regulate colour pattern switches between morphs and species across a large mimetic radiation. One of these genes, cortex , has been repeatedly associated with colour pattern evolution in butterflies. Here we carried out CRISPR knock-outs in multiple Heliconius species and show that cortex is a major determinant of scale cell identity. Chromatin accessibility profiling and introgression scans identified cis -regulatory regions associated with discrete phenotypic switches. CRISPR perturbation of these regions in black hindwing genotypes recreated a yellow bar, revealing their spatially limited activity. In the H. melpomene/timareta lineage, the candidate CRE from yellow-barred phenotype morphs is interrupted by a transposable element, suggesting that cis -regulatory structural variation underlies these mimetic adaptations. Our work shows that cortex functionally controls scale colour fate and that its cis -regulatory regions control a phenotypic switch in a modular and pattern-specific fashion.

Characterizing the genetic architecture of species boundaries remains a difficult task. Hybridizing species provide a powerful system to identify the factors that shape genomic variation and, ultimately, identify the regions of the genome that maintain species boundaries. Unfortunately, complex histories of isolation, admixture and selection can generate heterogenous genomic landscapes of divergence which make inferences about the regions that are responsible for species boundaries problematic. However, as the signal of admixture and selection on genomic loci varies with recombination rate, their relationship can be used to infer their relative importance during speciation. Here, we explore patterns of genomic divergence, admixture and recombination rate among hybridizing lineages across the Heliconius erato radiation. We focus on the incipient species, H. erato and H. himera , and distinguish the processes that drive genomic divergence across three contact zones where they frequently hybridize. Using demographic modeling and simulations, we infer that periods of isolation and selection have been major causes of genome-wide correlation patterns between recombination rate and divergence between these incipient species. Upon secondary contact, we found surprisingly highly asymmetrical introgression between the species pair, with a paucity of H. erato alleles introgressing into the H. himera genomes. We suggest that this signal may result from a current polygenic species boundary between the hybridizing lineages. These results contribute to a growing appreciation for the importance of polygenic architectures of species boundaries and pervasive genome-wide selection during the early stages of speciation with gene flow.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract Archipelago island fauna include some of the most compelling examples of parallel adaptation to ecological gradients. However, despite the insuslar nature of these systems, the possibility that repeated instances of within-island divergence resulted from independent ( in situ ) evolutionary rather than repeated colonization events remains most often unclear. Here, we investigated the genomic underpinning of a progressive adaptive radiation of caterpillar-hunter beetles ( Calosoma ) in the low- and highland habitats from the Galápagos. These Calosoma beetles have evolved only partially reduced wings in the highland of the youngest islands but evolved to distinct short-winged species in the highland of the oldest islands. In support of independent evolutionary events, the extent of genome-wide divergence between long-winged lowland and short-winged highland populations decreased towards younger islands. However, in support of repeated colonization events, adaptation to highland habitats was driven by repeated selection of alleles that are shared across all highland species and populations. These alleles comprised extensive chromosomal inversions whose origin was traced back to an initial high-lowland divergence event on the oldest island. Moreover, we found evidence that after this initial divergence event, highland alleles spread to younger islands through dispersal of highland individuals as well as dispersal of lowland individuals that were polymorphic at adaptive loci, both providing the opportunity for the establishment of highland populations on the younger islands. These findings highlight the importance of an old divergence in driving repeated adaptation to ecological gradients. Complex histories of colonization and introgression may thus result in a mixed contribution of inter-island dispersal and within-island evolution in shaping parallel species communities on islands.