The evolutionary importance of hybridization and introgression has long been debated. Hybrids are usually rare and unfit, but even infrequent hybridization can aid adaptation by transferring beneficial traits between species. Here we use genomic tools to investigate introgression in Heliconius, a rapidly radiating genus of neotropical butterflies widely used in studies of ecology, behaviour, mimicry and speciation. We sequenced the genome of Heliconius melpomene and compared it with other taxa to investigate chromosomal evolution in Lepidoptera and gene flow among multiple Heliconius species and races. Among 12,669 predicted genes, biologically important expansions of families of chemosensory and Hox genes are particularly noteworthy. Chromosomal organization has remained broadly conserved since the Cretaceous period, when butterflies split from the Bombyx (silkmoth) lineage. Using genomic resequencing, we show hybrid exchange of genes between three co-mimics, Heliconius melpomene, Heliconius timareta and Heliconius elevatus, especially at two genomic regions that control mimicry pattern. We infer that closely related Heliconius species exchange protective colour-pattern genes promiscuously, implying that hybridization has an important role in adaptive radiation.

Speciation is facilitated if ecological adaptation directly causes assortative mating1, but few natural examples are known. Here we show that a shift in colour pattern mimicry was crucial in the origin of two butterfly species. The sister species Heliconius melpomene and Heliconius cydno recently diverged to mimic different model taxa, and our experiments show that their mimetic coloration is also important in choosing mates. Assortative mating between the sister species means that hybridization is rare in nature, and the few hybrids that are produced are non-mimetic, poorly adapted intermediates. Thus, the mimetic shift has caused both pre-mating and post-mating isolation. In addition, individuals from a population of H. melpomene allopatric to H. cydno court and mate with H. cydno more readily than those from a sympatric population. This suggests that assortative mating has been enhanced in sympatry.

Most speciation events probably occur gradually, without complete and immediate reproductive isolation, but the full extent of gene flow between diverging species has rarely been characterized on a genome-wide scale. Documenting the extent and timing of admixture between diverging species can clarify the role of geographic isolation in speciation. Here we use new methodology to quantify admixture at different stages of divergence in Heliconius butterflies, based on whole-genome sequences of 31 individuals. Comparisons between sympatric and allopatric populations of H. melpomene , H. cydno , and H. timareta revealed a genome-wide trend of increased shared variation in sympatry, indicative of pervasive interspecific gene flow. Up to 40% of 100-kb genomic windows clustered by geography rather than by species, demonstrating that a very substantial fraction of the genome has been shared between sympatric species. Analyses of genetic variation shared over different time intervals suggested that admixture between these species has continued since early in speciation. Alleles shared between species during recent time intervals displayed higher levels of linkage disequilibrium than those shared over longer time intervals, suggesting that this admixture took place at multiple points during divergence and is probably ongoing. The signal of admixture was significantly reduced around loci controlling divergent wing patterns, as well as throughout the Z chromosome, consistent with strong selection for Müllerian mimicry and with known Z-linked hybrid incompatibility. Overall these results show that species divergence can occur in the face of persistent and genome-wide admixture over long periods of time.

Contact zones exemplify a series of stages in speciation. In unimodal hybrid zones intermediates predominate; in bimodal zones hybrids are rare and parental forms predominate; and finally, species might overlap, but never hybridize. Recent studies show bimodality to be associated strongly with assortative mating or fertilization, and only weakly with overall levels of genetic divergence or intrinsic genomic incompatibility. Ecological divergence across most bimodal hybrid zones suggests that ecology contributes more to speciation than genomic incompatibility. This continuum of stable contact zones provides empirical evidence for a route to speciation, which does not require allopatry.

Several methods have been proposed to test for introgression across genomes. One method tests for a genome-wide excess of shared derived alleles between taxa using Patterson’s D statistic, but does not establish which loci show such an excess or whether the excess is due to introgression or ancestral population structure. Several recent studies have extended the use of D by applying the statistic to small genomic regions, rather than genome-wide. Here, we use simulations and whole-genome data from Heliconius butterflies to investigate the behavior of D in small genomic regions. We find that D is unreliable in this situation as it gives inflated values when effective population size is low, causing D outliers to cluster in genomic regions of reduced diversity. As an alternative, we propose a related statistic f^d⁠, a modified version of a statistic originally developed to estimate the genome-wide fraction of admixture. f^d is not subject to the same biases as D, and is better at identifying introgressed loci. Finally, we show that both D and f^d outliers tend to cluster in regions of low absolute divergence (dXY), which can confound a recently proposed test for differentiating introgression from shared ancestral variation at individual loci.

The toxic butterfly Heliconius numata, found in forests across South America, mimics the wing patterns of several species of another family of toxic butterflies, Melinaea sp., in order to deter predators more effectively. This example of Müllerian mimicry is under the control of a classic 'supergene', a tight gene cluster usually inherited as a single unit. H. numata is particularly adept at mimicry, able to copy as many as seven different wing patterns. A study of the individual wing-pattern morphs in H. numata shows that different genomic rearrangements at the single supergene P locus tighten the genetic linkage between loci that are otherwise free to recombine in other closely related species. The resulting supergene acts as a simple switch that once thrown, selects which one of a range of complex adaptive phenotypes the butterfly displays. Supergenes are tight clusters of loci that facilitate the co-segregation of adaptive variation, providing integrated control of complex adaptive phenotypes1. Polymorphic supergenes, in which specific combinations of traits are maintained within a single population, were first described for ‘pin’ and ‘thrum’ floral types in Primula1 and Fagopyrum2, but classic examples are also found in insect mimicry3,4,5 and snail morphology6. Understanding the evolutionary mechanisms that generate these co-adapted gene sets, as well as the mode of limiting the production of unfit recombinant forms, remains a substantial challenge7,8,9,10. Here we show that individual wing-pattern morphs in the polymorphic mimetic butterfly Heliconius numata are associated with different genomic rearrangements at the supergene locus P. These rearrangements tighten the genetic linkage between at least two colour-pattern loci that are known to recombine in closely related species9,10,11, with complete suppression of recombination being observed in experimental crosses across a 400-kilobase interval containing at least 18 genes. In natural populations, notable patterns of linkage disequilibrium (LD) are observed across the entire P region. The resulting divergent haplotype clades and inversion breakpoints are found in complete association with wing-pattern morphs. Our results indicate that allelic combinations at known wing-patterning loci have become locked together in a polymorphic rearrangement at the P locus, forming a supergene that acts as a simple switch between complex adaptive phenotypes found in sympatry. These findings highlight how genomic rearrangements can have a central role in the coexistence of adaptive phenotypes involving several genes acting in concert, by locally limiting recombination and gene flow.

Heliconius butterfly wing pattern mimicry is driven by cis-regulatory variation of the optix gene.

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.

It is widely documented that hybridisation occurs between many closely related species, but the importance of introgression in adaptive evolution remains unclear, especially in animals. Here, we have examined the role of introgressive hybridisation in transferring adaptations between mimetic Heliconius butterflies, taking advantage of the recent identification of a gene regulating red wing patterns in this genus. By sequencing regions both linked and unlinked to the red colour locus, we found a region that displays an almost perfect genotype by phenotype association across four species, H. melpomene, H. cydno, H. timareta, and H. heurippa. This particular segment is located 70 kb downstream of the red colour specification gene optix, and coalescent analysis indicates repeated introgression of adaptive alleles from H. melpomene into the H. cydno species clade. Our analytical methods complement recent genome scale data for the same region and suggest adaptive introgression has a crucial role in generating adaptive wing colour diversity in this group of butterflies.