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.

While natural selection favours the fittest genotype, polymorphisms are maintained over evolutionary timescales in numerous species. Why these long-lived polymorphisms are often associated with chromosomal rearrangements remains obscure. Combining genome assemblies, population genomic analyses, and fitness assays, we studied the factors maintaining multiple mimetic morphs in the butterfly Heliconius numata . We show that the polymorphism is maintained because three chromosomal inversions controlling wing patterns express a recessive mutational load, which prevents their fixation despite their ecological advantage. Since inversions suppress recombination and hamper genetic purging, their formation fostered the capture and accumulation of deleterious variants. This suggests that many complex polymorphisms, instead of representing adaptations to the existence of alternative ecological optima, could be maintained primarily because chromosomal rearrangements are prone to carrying recessive harmful mutations.

Abstract Selection shapes genetic diversity around target mutations, yet little is known about how selection on specific loci affects the genetic trajectories of populations, including their genome-wide patterns of diversity and demographic responses. Here we study the patterns of genetic variation and geographic structure in a neotropical butterfly, Heliconius numata , and its closely related allies in the so-called melpomene-silvaniform clade. H. numata is known to have evolved an inversion supergene which controls variation in wing patterns involved in mimicry associations with distinct groups of co-mimics whereas it is associated to disassortative mate preferences and heterozygote advantage at this locus. We contrasted patterns of genetic diversity and structure 1) among extant polymorphic and monomorphic populations of H. numata , 2) between H. numata and its close relatives, and 3) between ancestral lineages. We show that H. numata populations which carry the inversions as a balanced polymorphism show markedly distinct patterns of diversity compared to all other taxa. They show the highest genetic diversity and effective population size estimates in the entire clade, as well as a low level of geographic structure and isolation by distance across the entire Amazon basin. By contrast, monomorphic populations of H. numata as well as its sister species and their ancestral lineages all show lower effective population sizes and genetic diversity, and higher levels of geographical structure across the continent. One hypothesis is that the large effective population size of polymorphic populations could be caused by the shift to a regime of balancing selection due to the genetic load and disassortative preferences associated with inversions. Testing this hypothesis with forward simulations supported the observation of increased diversity in populations with the supergene. Our results are consistent with the hypothesis that the formation of the supergene triggered a change in gene flow, causing a general increase in genetic diversity and the homogenisation of genomes at the continental scale.

We here pioneer a low-cost assembly strategy for 20 Heliconiini genomes to characterize the evolutionary history of the rapidly radiating genus Heliconius. A bifurcating tree provides a poor fit to the data, and we therefore explore a reticulate phylogeny for Heliconius. We probe the genomic architecture of gene flow, and develop a new method to distinguish incomplete lineage sorting from introgression. We find that most loci with non-canonical histories arose through introgression, and are strongly underrepresented in regions of low recombination and high gene density. This is expected if introgressed alleles are more likely to be purged in such regions due to tighter linkage with incompatibility loci. Finally, we identify a hitherto unrecognized inversion, and show it is a convergent structural rearrangement that captures a known color pattern switch locus within the genus. Our multi-genome assembly approach enables an improved understanding of adaptive radiation.

The Heliconius butterflies are a widely studied adaptive radiation of 46 species spread across Central and South America, several of which are known to hybridise in the wild. Here, we present a substantially improved assembly of the Heliconius melpomene genome, developed using novel methods that should be applicable to improving other genome assemblies produced using short read sequencing. Firstly, we whole genome sequenced a pedigree to produce a linkage map incorporating 99% of the genome. Secondly, we incorporated haplotype scaffolds extensively to produce a more complete haploid version of the draft genome. Thirdly, we incorporated ~20x coverage of Pacific Biosciences sequencing and scaffolded the haploid genome using an assembly of this long read sequence. These improvements result in a genome of 795 scaffolds, 275 Mb in length, with an L50 of 2.1 Mb, an N50 of 34 and with 99% of the genome placed and 84% anchored on chromosomes. We use the new genome assembly to confirm that the Heliconius genome underwent 10 chromosome fusions since the split with its sister genus Eueides, over a period of about 6 million years.

Evolutionary biologists have long investigated the ecological contexts, evolutionary forces, and proximate mechanisms that produce the diversity of animal coloration we see in the natural world. In aposematic species, color and pattern is directly tied to survival and thus understanding the origin of the phenotype has been a focus of both theoretical and empirical inquiry. In order to better understand this diversity, we examined gene expression in skin tissue during development in four different color morphs of the aposematic mimic poison frog, Ranitomeya imitator. We identified a suite of candidate color-related genes a priori and identified the pattern of expression in these genes over time, differences in expression of these genes between the mimetic morphs, and genetic variants that differ between color morphs. We identified several candidate color genes that are differentially expressed over time or across populations, as well as a number of color genes with fixed genetic variants between color morphs. Many of the color genes we discovered in our dataset are involved in the canonical Wnt signaling pathway, including several fixed SNPs between color morphs. Further, many genes in this pathway were differentially expressed at different points in development (e.g., lef1, tyr, tyrp1). Importantly, Wnt signaling pathway genes are overrepresented relative to expression in Xenopus tropicalis. Taken together, this provides evidence that the Wnt signaling pathway is contributing to color pattern production in R. imitator, and is an excellent candidate for producing some of the differences in color pattern between morphs. In addition, we found evidence that sepiapterin reductase is likely important in the production of yellow-green coloration in this adaptive radiation. Finally, two iridophore genes (arfap1, gart) draw a strong parallel to previous work in another dendrobatid, indicating that these genes are also strong candidates for differential color production. We have used high throughput sequencing throughout development to examine the evolution of coloration in a rapid mimetic adaptive radiation and found that these divergent color patterns are likely to be affected by a combination of developmental patterns of gene expression, color morph-specific gene expression, and color morph-specific gene variants.

The evolution of mate preferences may depend on natural selection acting on the mating cues and on the underlying genetic architecture. While the evolution of assortative mating acting on locally adapted traits has been well-characterized, the evolution of disassortative mating is poorly characterized. Here we aim at understanding the evolution of disassortative mating for traits under strong balancing selection, by focusing on polymorphic mimicry as an illustrative example. Positive frequency-dependent selection exerted by predators generates local selection on mimetic colour pattern. In this well-characterized adaptive landscape, polymorphic mimicry is rare but had been reported in a butterfly species where chromosomal inversions control mimetic colour pattern variations. Because inversions are often associated with recessive deleterious mutations, we hypothesize they may induce a heterozygote advantage at the colour pattern locus, putatively favoring the evolution of disassortative mating. To explore the conditions underlying the emergence of disassortative mating, we modeled both a colour pattern locus and a mate preference locus. We confirm that a heterozygote advantage favors the evolution of disassortative mating and show that disassortative mating is more likely to emerge if at least one adaptive allele is free from any genetic load. Comparisons of hypothetical genetic architectures underlying mate choice behaviors show that rejection alleles linked to the colour pattern locus can be under positive selection and enable the emergence of disassortative mating behavior. Our results therefore provide relevant predictions on both the selection regimes and the genetic architecture favouring the emergence of disassortative mating, which could be compared to empirical data that are starting to emerge on mate preferences in wild populations.

Summary Supergenes are genetic architectures associated with discrete and concerted variation in multiple traits. It has long been suggested that supergenes control these complex polymorphisms by suppressing recombination between set of coadapted genes. However, because recombination suppression hinders the dissociation of the individual effects of genes within supergenes, there is still little evidence that supergenes evolve by tightening linkage between coadapted genes. Here, combining an landmark-free phenotyping algorithm with multivariate genome wide association studies, we dissected the genetic basis of wing pattern variation in the butterfly Heliconius numata . We showed that the supergene controlling the striking wing-pattern polymorphism displayed by this species contains many independent loci associated with different features of wing patterns. The three chromosomal inversions of this supergene suppress recombination between these loci, supporting the hypothesis that they may have evolved because they captured beneficial combinations of alleles. Some of these loci are associated with colour variations only in morphs controlled by inversions, indicating that they were recruited after the formation of these inversions. Our study shows that supergenes and clusters of adaptive loci in general may form via the evolution of chromosomal rearrangements suppressing recombination between co-adapted loci but also via the subsequent recruitment of linked adaptive mutations.

Abstract To explain how populations with distinct warning signals coexist in close parapatry, we experimentally assessed intrinsic mechanisms acting as reproductive barriers within three Ranitomeya poison-frog species. For all species, assortative mating did not occur, nor did a survival disadvantage for inter-population hybrids. However, in Ranitomeya fantastica , these hybrids of the male sex are sterile, an outcome predicted by Haldane’s rule. Our results suggest a possible XY sex determinism in R. fantastica , and show that this process is associated with an extraordinary diversity, leading to speciation. Graphical Abstract