Butterflies and moths (Lepidoptera) are one of the major superradiations of insects, comprising nearly 160,000 described extant species. As herbivores, pollinators, and prey, Lepidoptera play a fundamental role in almost every terrestrial ecosystem. Lepidoptera are also indicators of environmental change and serve as models for research on mimicry and genetics. They have been central to the development of coevolutionary hypotheses, such as butterflies with flowering plants and moths’ evolutionary arms race with echolocating bats. However, these hypotheses have not been rigorously tested, because a robust lepidopteran phylogeny and timing of evolutionary novelties are lacking. To address these issues, we inferred a comprehensive phylogeny of Lepidoptera, using the largest dataset assembled for the order (2,098 orthologous protein-coding genes from transcriptomes of 186 species, representing nearly all superfamilies), and dated it with carefully evaluated synapomorphy-based fossils. The oldest members of the Lepidoptera crown group appeared in the Late Carboniferous (∼300 Ma) and fed on nonvascular land plants. Lepidoptera evolved the tube-like proboscis in the Middle Triassic (∼241 Ma), which allowed them to acquire nectar from flowering plants. This morphological innovation, along with other traits, likely promoted the extraordinary diversification of superfamily-level lepidopteran crown groups. The ancestor of butterflies was likely nocturnal, and our results indicate that butterflies became day-flying in the Late Cretaceous (∼98 Ma). Moth hearing organs arose multiple times before the evolutionary arms race between moths and bats, perhaps initially detecting a wide range of sound frequencies before being co-opted to specifically detect bat sonar. Our study provides an essential framework for future comparative studies on butterfly and moth evolution.

Butterflies (Papilionoidea), with over 18,000 described species [1], have captivated naturalists and scientists for centuries. They play a central role in the study of speciation, community ecology, biogeography, climate change, and plant-insect interactions and include many model organisms and pest species [2, 3]. However, a robust higher-level phylogenetic framework is lacking. To fill this gap, we inferred a dated phylogeny by analyzing the first phylogenomic dataset, including 352 loci (> 150,000 bp) from 207 species representing 98% of tribes, a 35-fold increase in gene sampling and 3-fold increase in taxon sampling over previous studies [4]. Most data were generated with a new anchored hybrid enrichment (AHE) [5] gene kit (BUTTERFLY1.0) that includes both new and frequently used (e.g., [6]) informative loci, enabling direct comparison and future dataset merging with previous studies. Butterflies originated around 119 million years ago (mya) in the late Cretaceous, but most extant lineages diverged after the Cretaceous-Paleogene (K-Pg) mass-extinction 65 mya. Our analyses support swallowtails (Papilionidae) as sister to all other butterflies, followed by skippers (Hesperiidae) + the nocturnal butterflies (Hedylidae) as sister to the remainder, indicating a secondary reversal from diurnality to nocturnality. The whites (Pieridae) were strongly supported as sister to brush-footed butterflies (Nymphalidae) and blues + metalmarks (Lycaenidae and Riodinidae). Ant association independently evolved once in Lycaenidae and twice in Riodinidae. This study overturns prior notions of the taxon's evolutionary history, as many long-recognized subfamilies and tribes are para- or polyphyletic. It also provides a much-needed backbone for a revised classification of butterflies and for future comparative studies including genome evolution and ecology.

Abstract We assembled the 9.8 Gbp genome of western redcedar (WRC, Thuja plicata ), an ecologically and economically important conifer species of the Cupressaceae. The genome assembly, derived from a uniquely inbred tree produced through five generations of self-fertilization (selfing), was determined to be 86% complete by BUSCO analysis – one of the most complete genome assemblies for a conifer. Population genomic analysis revealed WRC to be one of the most genetically depauperate wild plant species, with an effective population size of approximately 300 and no significant genetic differentiation across its geographic range. Nucleotide diversity, π, is low for a continuous tree species, with many loci exhibiting zero diversity, and the ratio of π at zero-to four-fold degenerate sites is relatively high (∼ 0.33), suggestive of weak purifying selection. Using an array of genetic lines derived from up to five generations of selfing, we explored the relationship between genetic diversity and mating system. While overall heterozygosity was found to decline faster than expected during selfing, heterozygosity persisted at many loci, and nearly 100 loci were found to deviate from expectations of genetic drift, suggestive of associative overdominance. Non-reference alleles at such loci often harbor deleterious mutations and are rare in natural populations, implying that balanced polymorphisms are maintained by linkage to dominant beneficial alleles. This may account for how WRC remains responsive to natural and artificial selection, despite low genetic diversity.

ABSTRACT Premise of the study New sequencing technologies enable the possibility of generating large-scale molecular datasets for constructing the plant tree of life. We describe a new probe set for target enrichment sequencing to generate nuclear sequence data to build phylogenetic trees with any flagellate plants, comprising hornworts, liverworts, mosses, lycophytes, ferns, and gymnosperms. Methods and Results We leveraged existing transcriptome and genome sequence data to design a set of 56,989 probes for target enrichment sequencing of 451 nuclear exons and non-coding flanking regions across flagellate plant lineages. We describe the performance of target enrichment using the probe set across flagellate plants and demonstrate the potential of the data to resolve relationships among both ancient and closely related taxa. Conclusions A target enrichment approach using the new probe set provides a relatively low-cost solution to obtain large-scale nuclear sequence data for inferring phylogenetic relationships across flagellate plants.

Abstract Butterflies are a diverse and charismatic insect group that are thought to have diversified via coevolution with plants and in response to dispersals following key geological events. These hypotheses have been poorly tested at the macroevolutionary scale because a comprehensive phylogenetic framework and datasets on global distributions and larval hosts of butterflies are lacking. We sequenced 391 genes from nearly 2,000 butterfly species to construct a new, phylogenomic tree of butterflies representing 92% of all genera and aggregated global distribution records and larval host datasets. We found that butterflies likely originated in what is now the Americas, ∼100 Ma, shortly before the Cretaceous Thermal Maximum, then crossed Beringia and diversified in the Paleotropics. The ancestor of modern butterflies likely fed on Fabaceae, and most extant families were present before the K/Pg extinction. The majority of butterfly dispersals occurred from the tropics (especially the Neotropics) to temperate zones, largely supporting a “cradle” pattern of diversification. Surprisingly, host breadth changes and shifts to novel host plants had only modest impacts.

Caddisflies (Trichoptera) are among the most diverse groups of freshwater animals with more than 16 000 described species. They play a fundamental role in freshwater ecology and environmental engineering in streams, rivers and lakes. Because of this, they are frequently used as indicator organisms in biomonitoring programmes. Despite their importance, key questions concerning the evolutionary history of caddisflies, such as the timing and origin of larval case making, remain unanswered owing to the lack of a well-resolved phylogeny. Here, we estimated a phylogenetic tree using a combination of transcriptomes and targeted enrichment data for 207 species, representing 48 of 52 extant families and 174 genera. We calibrated and dated the tree with 33 carefully selected fossils. The first caddisflies originated approximately 295 million years ago in the Permian, and major suborders began to diversify in the Triassic. Furthermore, we show that portable case making evolved in three separate lineages, and shifts in diversification occurred in concert with key evolutionary innovations beyond case making.

Abstract Warning signals are well known in the visual system, but rare in other modalities. Some moths produce ultrasonic sounds to warn bats of noxious taste or to mimic unpalatable models. Here we report results from a long-term study across the globe, assaying moth response to playback of bat echolocation. We tested 252 genera, spanning most families of large-bodied moths, and outline anti-bat ultrasound production in 52 genera, with eight new subfamily origins described. Based on acoustic analysis of ultrasonic emissions and palatability experiments with bats, it seems that acoustic warning and mimicry are the raison d’etre for sound production in most moths. However, some moths use high-density ultrasound capable of jamming bat sonar. In fact, we find preliminary evidence of independent origins of sonar jamming in at least six subfamilies. Palatability data indicates that jamming and warning are not mutually exclusive strategies. To explore the possible organization of anti-bat warning sounds into acoustic mimicry rings, we intensively studied a community of moths in Ecuador and found five distinct acoustic clusters using machine learning algorithms. While these data represent an early understanding of acoustic aposematism and mimicry across this megadiverse insect order, it is likely that ultrasonically-signaling moths comprise one of the largest mimicry complexes on earth.

Abstract Caddisflies (Trichoptera) are among the most diverse groups of freshwater animals with more than 16,000 described species. They play an outsized role in freshwater ecology and environmental engineering in streams, rivers, and lakes. Because of this, they are frequently used as indicator organisms in biomonitoring programs. Despite their importance, key questions concerning the evolutionary history of caddisflies, such as the timing and origin of larval case-making, have been unanswered due to the lack of a well-resolved phylogenetic tree. To shed light on these questions in Trichoptera, we estimated a phylogenetic tree using a combination of transcriptomes and targeted enrichment data for 206 species, representing 48 of 52 extant families and 174 genera. We calibrated and dated the tree with a set of 33 carefully selected fossils. The first caddisflies originated in the Permian and the major suborders began to diversify in the Triassic. Ancestral state reconstruction and diversification analysis revealed that portable case-making evolved in three separate lineages and shifts in diversification occurred in concert with key evolutionary innovations other than case-making.

Abstract Temperature is thought to be a key variable explaining global patterns of species richness. However, to investigate this relationship carefully, it is necessary to study clades with broad geographic ranges that are comprised of species inhabiting diverse biomes with well- characterized species ranges. In the present study, we investigate the link between temperature and diversification in the butterfly family Pieridae (sulfurs and whites) by combining Next Generation sequences and published molecular data with fine-grained distribution information. After building the most comprehensive phylogeny of the group, with almost 600 species and all higher taxa (subfamilies, tribes and subtribes), we found strong support for the following relationships within the family: Dismorphiinae + (Coliadinae + (Pseudopontiinae + Pierinae)). With a curated distribution dataset of over 800,000 occurrences, we conducted multiple comparative phylogenetic analyses that provided strong evidence that species in environments with more stable daily temperatures or with cooler maximum temperatures in the warm seasons have higher diversification rates. We also found a positive correlation between speciation and extinction with paleotemperature: as global temperature decreased through geological time, so did diversification rates. Although many studies demonstrate higher diversity in the tropics, we have been able to identify specific climate variables associated with changes in diversification, while also inferring the most robust and well sampled phylogenomic framework for Pieridae to date.

Background The silkmoths and their relatives constitute the ecologically and taxonomically diverse superfamily Bombycoidea, which includes some of the most charismatic species of Lepidoptera. Despite displaying some of the most spectacular forms and ecological traits among insects, relatively little attention has been given to understanding their evolution and the drivers of their diversity.Results To begin to address this problem, we created a new Bombycoidea-specific Anchored Hybrid Enrichment (AHE) probe set and sampled up to 571 loci for 117 taxa across all major lineages of the Bombycoidea, producing a well-supported phylogeny. The tree was overall consistent with prior morphological and molecular studies, although some taxa (e.g., Arotros Schaus) were misplaced in the Bombycidae and here formally transferred to Apatelodidae. We identified important evolutionary patterns (e.g., morphology, biogeography, and differences in speciation and extinction), and our analysis of diversification rates highlights the stark increases that exist within the Sphingidae (hawkmoths) and Saturniidae (wild silkmoths).Conclusions We postulate that these rate shifts are due to the well-documented bat-moth “arms race” and differences in selective pressures from insectivorous bats. The study establishes a backbone for future evolutionary, comparative, and taxonomic studies, and presents a modified DNA extraction protocol that allows Lepidoptera specimens to be readily sequenced from pinned natural history collections, succeeding in samples up to 30 years old. Our research highlights the flexibility of AHE to generate genomic data from a wide range of museum specimens, both age and preservation method, and will allow researchers to tap into the wealth of biological data residing in natural history collections around the globe.