Abstract A long-standing question in evolutionary biology is how differences in multiple traits can evolve quickly and be maintained together during local adaptation. Using forest and prairie ecotypes in deer mice, which differ in both tail length and coat color, we discovered a 41 Mb chromosomal inversion that is strongly linked to variation in both traits. The inversion maintains highly divergent loci in strong linkage disequilibrium and likely originated ~170 kya, long before the forest-prairie divergence ~10 kya. Consistent with a role in local adaptation, inversion frequency is associated with phenotype and habitat across both a local transect and the species range. Still, although eastern and western forest subspecies share similar phenotypes, the inversion is absent in eastern North America. This work highlights the significance of inversion polymorphisms for the establishment and maintenance of multiple locally adaptive traits in mammals, and demonstrates that, even within a species, parallel phenotypes may evolve through nonparallel genetic mechanisms.

SUMMARY Variation in the size and number of axial segments underlies much of the diversity in animal body plans. Here, we investigate the evolutionary, genetic, and developmental mechanisms driving tail-length differences between forest and prairie ecotypes of deer mice ( Peromyscus maniculatus ). We first show that long-tailed forest mice perform better in an arboreal locomotion assay, consistent with tails being important for balance during climbing. The long tails of these forest mice consist of both longer and more caudal vertebrae than prairie mice. Using quantitative genetics, we identify six genomic regions that contribute to differences in total tail length, three of which associate with vertebra length and the other three with vertebra number. For all six loci, the forest allele increases tail length, consistent with the cumulative effect of natural selection. Two of the genomic regions associated with variation in vertebra number contain Hox gene clusters. Of those, we find an allele-specific decrease in Hoxd13 expression in the embryonic tail bud of long-tailed forest mice, consistent with its role in axial elongation. Additionally, we find that forest embryos have more presomitic mesoderm than prairie embryos, and that this correlates with an increase in the number of neuromesodermal progenitors (NMPs), which are modulated by Hox13 paralogs. Together, these results suggest a role for Hoxd13 in the development of natural variation in adaptive morphology on a microevolutionary timescale. HIGHLIGHTS In deer mice, the long-tailed forest ecotype outperforms the short-tailed prairie ecotype in climbing, consistent with the tail’s role in balance. Long tails are due to mutations on distinct chromosomes that affect either length or number of caudal vertebrae. QTL mapping identifies Hox clusters, one gene of which – Hoxd13 – shows low allele-specific expression in the embryonic tail bud of forest mice. Forest mouse embryos have a larger presomitic mesoderm (PSM), likely mediated by a larger progenitor population (NMPs) and lower Hoxd13 levels.

Abstract The evolution of innate behaviors is ultimately due to genetic variation likely acting in the nervous system. Gene regulation may be particularly important because it can evolve in a modular brain-region specific fashion through the concerted action of cis - and trans -regulatory changes. Here, to investigate transcriptional variation and its regulatory basis across the brain, we perform RNA sequencing (RNA-Seq) on ten brain subregions in two sister species of deer mice ( Peromyscus maniculatus and P. polionotus ) – which differ in a range of innate behaviors, including their social system – and their F 1 hybrids. We find that most of the variation in gene expression distinguishes subregions, followed by species. Interspecific differential expression (DE) is pervasive (52–59% of expressed genes), whereas the number of DE genes between sexes is modest overall (∼3%). Interestingly, the identity of DE genes varies considerably across brain regions. Much of this modularity is due to cis -regulatory divergence, and while 43% of genes were consistently assigned to the same gene regulatory class across subregions (e.g., conserved, cis -, or trans -regulatory divergence), a similar number were assigned to two or more different gene regulatory classes. Together, these results highlight the modularity of gene expression differences and divergence in the brain, which may be key to explain how the evolution of brain gene expression can contribute to the astonishing diversity of animal behaviors.

Several long noncoding RNAs (lncRNAs) have been shown to function as central components of molecular machines that play fundamental roles in biology. While the number of annotated lncRNAs in mammalian genomes has greatly expanded, their functions remain largely uncharacterized. This is compounded by the fact that identifying lncRNA loci that have robust and reproducible phenotypes when mutated has been a challenge. We previously generated a cohort of 20 lncRNA loci knockout mice. Here, we extend our initial study and provide a more detailed analysis of the highly conserved lncRNA locus, Taurine Upregulated Gene 1 (Tug1). We report that Tug1 knockout male mice are sterile with complete penetrance due to a low sperm count and abnormal sperm morphology. Having identified a lncRNA loci with a robust phenotype, we wanted to determine which, if any, potential elements contained in the Tug1 genomic region (DNA, RNA, protein, or the act of transcription) have activity. Using engineered mouse models and cell-based assays, we provide evidence that the Tug1 locus harbors three distinct regulatory activities - two noncoding and one coding: (i) a cis DNA repressor that regulates many neighboring genes, (ii) a lncRNA that can regulate genes by a trans-based function, and finally (iii) Tug1 encodes an evolutionary conserved peptide that when overexpressed impacts mitochondrial membrane potential. Our results reveal an essential role for the Tug1 locus in male fertility and uncover three distinct regulatory activities in the Tug1 locus, thus highlighting the complexity present at lncRNA loci.

Social interactions can facilitate transmission of microbes between individuals, reducing variation in gut communities within social groups. Thus, the evolution of social behaviors and symbiont community composition have the potential to be tightly linked. We explored this connection by characterizing the diversity of bacteria associated with both social and solitary bee species within the behaviorally variable family Halictidae using 16S amplicon sequencing. Contrary to expectations, we found few differences in bacterial abundance or variation between social forms, and most halictid species appear to share similar gut bacterial communities. However, several strains of Sodalis, a genus described as a symbiont in a variety of insects but yet to be characterized in bees, differ in abundance between social and solitary bees. Phylogenetic reconstructions based on whole-genome alignments indicate that Sodalis has independently colonized halictids at least three times. These strains appear to be mutually exclusive within individual bees, although they are not host-species-specific and no signatures of vertical transmission were observed, suggesting that Sodalis strains compete for access to hosts. De novo genome assemblies indicate that these three lineages are subject to widespread relaxed selection and that Sodalis is undergoing genome degeneration during the colonization of these hosts.