Abstract Most marine organisms have a biphasic life cycle during which a pelagic larva is transformed into a radically different juvenile. In vertebrates the role of thyroid hormones (TH) in triggering this transition is well known, but how the morphological and physiological changes are integrated in a coherent way with the ecological transition remains poorly explored. To gain insight into this question, we performed an integrative analysis of metamorphosis of a marine teleost, the clownfish Amphiprion ocellaris . We reveal how TH coordinate a change in color vision as well as a major metabolic shift in energy production, hence highlighting its central integrative role in regulating this transformation. By manipulating the activity of LXR, a major regulator of metabolism, we also reveal a tight link between metabolic changes and metamorphosis progression. Strikingly, we observed that these regulations are at play in the wild revealing how hormones coordinate energy needs with available resources during life cycle.

Abstract Evolution can occur with surprising predictability when organisms face similar ecological challenges. How and why traits arise repeatedly remains a central question in evolutionary biology, but the complexity of most traits makes it challenging to answer. Reptiles and mammals independently evolved oral venoms consisting of proteinaceous cocktails that allow mapping between genotype and phenotype. Although biochemically similar toxins can occur as major venom components across many taxa, whether these toxins evolved via convergent or parallel processes remains unknown. Most notable among them are kallikrein-like serine proteases that form the core of most vertebrate oral venoms. We used a combination of comparative genomics and phylogenetics to investigate whether serine protease recruitment into the venom occurred independently or in parallel in mammalian and reptilian lineages. Using syntenic relationships between genes flanking known toxins, we traced the origin of kallikreins to a single locus containing one or more nearby paralogous kallikrein-like clusters. Independently, phylogenetic analysis of vertebrate serine proteases revealed that kallikrein-like toxins in mammals and reptiles are homologous. Given the shared regulatory and genetic machinery, these findings suggest a unified model underlying vertebrate venom evolution. Namely, the common tetrapod ancestor possessed salivary genes that were biochemically suitable for envenomation. We term such genes ‘toxipotent’ – in the case of salivary kallikreins they already had potent vasodilatory activity that was weaponized by venomous lineages. Furthermore, the ubiquitous distribution of kallikreins across vertebrates suggests that the evolution of envenomation may be more common than previously recognized, blurring the line between venomous and non-venomous animals.

Abstract Oral venom systems evolved multiple times in numerous vertebrates enabling exploitation of unique predatory niches. Yet how and when they evolved remains poorly understood. Up to now, most research on venom evolution has focussed strictly on the toxins. However, using toxins present in modern day animals to trace the origin of the venom system is difficult, since they tend to evolve rapidly, show complex patterns of expression, and were incorporated into the venom arsenal relatively recently. Here we focus on gene regulatory networks associated with the production of toxins in snakes, rather than the toxins themselves. We found that overall venom gland gene expression was surprisingly well conserved when compared to salivary glands of other amniotes. We characterised the ‘meta-venom’, a network of approximately 3000 non-secreted housekeeping genes that are strongly co-expressed with the toxins, and are primarily involved in protein folding and modification. Conserved across amniotes, this network was co-opted for venom evolution by exaptation of existing members and the recruitment of new toxin genes. For instance, starting from this common molecular foundation, Heloderma lizards, shrews, and solenodon, evolved venoms in parallel by overexpression of kallikreins, which were common in ancestral saliva and induce vasodilation when injected, causing circulatory shock. Derived venoms, such as those of snakes, incorporated novel toxins, though still rely on hypotension for prey immobilization. These similarities suggest repeated co-option of shared molecular machinery for the evolution of oral venom in mammals and reptiles, blurring the line between truly venomous animals and their ancestors.

Abstract Sea anemones in the order Anthozoa play an integral part in marine ecosystems by providing refuge and habitat for various organisms. Despite this, much of their molecular ecology remains elusive. Sea anemones can nurture numerous symbiotic relationships; the most iconic being the one between giant sea anemones and anemonefish. However, the genes and biological processes associated with this symbiosis in the sea anemones in unknown. Additionally, it is unclear how genes can mediate interactions between sea anemones, anemonefish, and symbionts from the algal family Symbiodiniaceae . Here we compared the gene expression profiles of tentacles from several cnidarians to uncover the genetic basis for adaptations in giant sea anemones to their symbiosis with anemonefish and Symbiodiniaceae . We found that tentacle transcriptomes of cnidarians are highly diverse, with closely related species having more similar expression patterns. However, despite an overall high correlation between gene expression and phylogeny, the giant sea anemones showed distinct expression patterns. The giant sea anemones had gene co-expression clusters enriched for processes involved in nutrient exchange and metabolism. These genes were not only differentially expressed, but also experienced evolutionary shifts in expression in giant sea anemones. Using a phylogenetic multilevel model, we found that Symbiodiniaceae and anemonefish significantly affect gene expression in giant sea anemone tentacles. By characterizing gene expression patterns, we identify genes and biological processes that provide evidence for the cross-talk between Symbiodiniaceae , anemonefish, and giant sea anemones. Our study demonstrates how integrated biological processes can lead to the evolution of a successful multi-organism interaction.

Gene expression changes contribute to complex trait variations in both individuals and populations. However, how gene expression influences changes of complex traits over macroevolutionary timescales remains poorly understood. Being comprised of proteinaceous cocktails, snake venoms are unique in that the expression of each toxin can be quantified and mapped to a distinct genomic locus and traced for millions of years. Using a phylogenetic generalized linear mixed model, we analysed expression data of toxin genes from 52 snake species spanning the three venomous snake families and estimated phylogenetic covariance, which acts as a measure of evolutionary constraint. We find that evolution of toxin combinations is not constrained. However, while all combinations are in principle possible, the actual dimensionality of phylomorphic space is low, with envenomation strategies focused around only four major toxins: metalloproteases, three-finger toxins, serine proteases, and phospholipases A2. While most extant snakes prioritize either a single or a combination of major toxins, they are repeatedly recruited and lost. We find that over macroevolutionary timescales the venom phenotypes were not shaped by phylogenetic constraints, which include important microevolutionary constraints such as epistasis and pleiotropy, but more likely by ecological filtering that permits a few optimal solutions. As a result, phenotypic optima were repeatedly attained by distantly related species. These results indicate that venoms evolve by selection on biochemistry of prey envenomation, which permit diversity though parallelism and impose strong limits, since only a few of the theoretically possible strategies seem to work well and are observed in extant snakes.

Abstract Teleosts are the most diverse group of vertebrates on earth. Their diversity is a testament to the combined effects of genetic, developmental, and evolutionary forces. However, disentangling the interactions between these forces is challenging due to the complexity of the genotype-phenotype relationship and the masking of adaptive genetic signals by genetic noise. Estimates of molecular convergence where changes in the sequence of protein-coding genes lead to identical amino acid substitution across multiple lineages provide strong evidence of adaptive evolution. In this study, we estimated signals for molecular convergence in protein-coding genes across 143 teleost genomes to identify genes and processes that experienced adaptive changes. We find that genes with signals of molecular convergence are implicated in diverse processes ranging from embryonic development, tissue morphogenesis, metabolism, to hormone and heat response. Some convergent substitutions are located on functionally important sites on proteins potentially providing the molecular basis for adaptations to hypoxia, salinity fluctuations, and varying skeletal morphologies. Additionally, single-cell RNA sequencing data from zebrafish showed that the convergent genes have dynamic expression across various cell types during embryonic development. These results highlight the functional importance of the convergent genes as well as their pleiotropic nature. Although traditionally considered a source of genetic constraint, we argue that adaptation via changes in pleiotropic genes are particularly advantageous during periods of ecological shifts. We present the pleiotropic release model which describes how adaptive variation on pleiotropic genes can have large fitness effects, allowing organisms to overcome selective pressures during periods of ecological shifts.

Venom is a widespread secretion in nature, extensively studied for its toxin components and application potential. Yet, the evolution of venom production remains poorly understood. To address this question, we conducted a comparative transcriptomics analysis of the oesophagus-associated glands in marine predatory gastropods, among which the cone snail venom gland represents a pinnacle of specialisation. We found that the functional divergence and specialisation of the venom gland was achieved through a redistribution of its ancestral digestive functions to other organs, specifically the oesophagus. This entailed concerted expression changes and accelerated transcriptome evolution across the entire digestive system. The increase in venom gland secretory capacity was achieved through the modulation of an ancient secretory machinery, particularly genes involved in endoplasmic reticulum stress and unfolded protein response. On the other hand, the emergence of novel genes, involving transposable elements, contributed to the gland regulatory network. Our analysis provides new insights into the genetic basis of functional divergence and highlights the remarkable plasticity of the gastropod digestive system.