Ongoing climate change has affected the ecological dynamics of many species and is expected to impose natural selection on ecologically important traits. Droughts and other anticipated changes in precipitation may be particularly potent selective factors, especially in arid regions. Here we demonstrate the evolutionary response of an annual plant, Brassica rapa , to a recent climate fluctuation resulting in a multiyear drought. Ancestral (predrought) genotypes were recovered from stored seed and raised under a set of common environments with descendant (postdrought) genotypes and with ancestor×descendant hybrids. As predicted, the abbreviated growing seasons caused by drought led to the evolution of earlier onset of flowering. Descendants bloomed earlier than ancestors, advancing first flowering by 1.9 days in one study population and 8.6 days in another. The intermediate flowering time of ancestor×descendant hybrids supports an additive genetic basis for divergence. Experiments confirmed that summer drought selected for early flowering, that flowering time was heritable, and that selection intensities in the field were more than sufficient to account for the observed evolutionary change. Natural selection for drought escape thus appears to have caused adaptive evolution in just a few generations. A systematic effort to collect and store propagules from suitable species would provide biologists with materials to detect and elucidate the genetic basis of further evolutionary shifts driven by climate change.

Like many species, the model plant Arabidopsis thaliana exhibits multiple different life histories in natural environments. We grew mutants impaired in different signaling pathways in field experiments across the species' native European range in order to dissect the mechanisms underlying this variation. Unexpectedly, mutational loss at loci implicated in the cold requirement for flowering had little effect on life history except in late-summer cohorts. A genetically informed photothermal model of progression toward flowering explained most of the observed variation and predicted an abrupt transition from autumn flowering to spring flowering in late-summer germinants. Environmental signals control the timing of this transition, creating a critical window of acute sensitivity to genetic and climatic change that may be common for seasonally regulated life history traits.

Abstract Rapidly evolving taxa are excellent models for understanding the mechanisms that give rise to biodiversity. However, developing an accurate historical framework for comparative analysis of such lineages remains a challenge due to ubiquitous incomplete lineage sorting and introgression. Here, we use a whole-genome alignment, multiple locus-sampling strategies, and summary-tree and SNP-based species-tree methods to infer a species tree for eastern North American Neodiprion species, a clade of pine-feeding sawflies (Order: Hymenopteran; Family: Diprionidae). We recovered a well-supported species tree that—except for three uncertain relationships—was robust to different strategies for analyzing whole-genome data. Nevertheless, underlying gene-tree discordance was high. To understand this genealogical variation, we used multiple linear regression to model site concordance factors estimated in 50-kb windows as a function of several genomic predictor variables. We found that site concordance factors tended to be higher in regions of the genome with more parsimony-informative sites, fewer singletons, less missing data, lower GC content, more genes, lower recombination rates, and lower D-statistics (less introgression). Together, these results suggest that incomplete lineage sorting, introgression, and genotyping error all shape the genomic landscape of gene-tree discordance in Neodiprion. More generally, our findings demonstrate how combining phylogenomic analysis with knowledge of local genomic features can reveal mechanisms that produce topological heterogeneity across genomes.

A bstract Rapidly evolving taxa are excellent models for understanding the mechanisms that give rise to biodiversity. However, developing an accurate historical framework for comparative analysis of such lineages remains a challenge due to ubiquitous incomplete lineage sorting and introgression. Here, we use a whole-genome alignment, multiple locus-sampling strategies, and locus-based and SNP-based species-tree methods to infer a species tree for eastern North American Neodiprion species, a clade of pine-feeding sawflies (Order: Hymenopteran; Family: Diprionidae). We recovered a well-supported species tree that—except for three uncertain relationships—is robust to different strategies for analyzing whole-genome data. Despite this consistency, underlying gene-tree discordance is high. To understand this discordance, we use multiple regression to model topological discordance as a function of several genomic features. We find that gene-tree discordance tends to be higher in regions of the genome that may be more prone to gene-tree estimation error, as indicated by a lower density of parsimony-informative sites, a higher density of genes, a higher average pairwise genetic distance, and gene trees with lower average bootstrap support. Also, contrary to the expectation that discordance via incomplete lineage sorting is reduced in low-recombination regions of the genome, we find a negative correlation between recombination rate and topological discordance. We offer potential explanations for this pattern and hypothesize that it may be unique to lineages that have diverged with gene flow. Our analysis also reveals an unexpected discordance hotspot on Chromosome 1, which contains several genes potentially involved in mitochondrial-nuclear interactions and produces a gene-tree that resembles a highly discordant mitochondrial tree. Based on these observations, we hypothesize that our genome-wide scan for topological discordance has identified a nuclear locus involved in a mito-nuclear incompatibility. Together, these results demonstrate how phylogenomic analysis coupled with high-quality, annotated genomes can generate novel hypotheses about the mechanisms that drive divergence and produce variable genealogical histories across genomes.

Abstract Helicoverpa zea (Lepidoptera: Noctuidae) is an insect pest of major cultivated crops in North and South America. The species has adapted to different host plants and developed resistance to several insecticidal agents, including Bacillus thuringiensis (Bt) insecticidal proteins in transgenic cotton and maize. H. zea populations persist year-round in tropical and subtropical regions, but seasonal migrations into temperate zones increase the geographic range of associated crop damage. To better understand the genetic basis of these physiological and ecological characteristics, we generated a high-quality chromosome-level assembly for a single H. zea male from Bt resistant strain, HzStark_Cry1AcR. Hi-C data were used to scaffold an initial 375.2 Mb contig assembly into 30 autosomes and the Z sex chromosome (scaffold N50 = 12.8 Mb and L50 = 14). The scaffolded assembly was error-corrected with a novel pipeline, polishCLR. The mitochondrial genome was assembled through an improved pipeline and annotated. Assessment of this genome assembly indicated 98.8% of the Lepidopteran Benchmark Universal Single-Copy Ortholog set were complete (98.5% as complete single-copy). Repetitive elements comprised approximately 29.5% of the assembly with the plurality (11.2%) classified as retroelements. This chromosome-scale reference assembly for H. zea , ilHelZeax1.1, will facilitate future research to evaluate and enhance sustainable crop production practices. Significance We established a chromosome-level reference assembly for Helicoverpa zea , an insect pest of multiple cultivated crops in the Americas. This assembly of a Bacillus thuringiensis insecticidal protein resistant strain, HzStark_Cry1AcR, will facilitate future research in areas such as population genomics and adaptations to agricultural control practices.

Abstract Biological introductions are unintended “natural experiments” that provide unique insights into evolutionary processes. Invasive phytophagous insects are of particular interest to evolutionary biologists studying adaptation, as introductions often require rapid adaptation to novel host plants. However, adaptive potential of invasive populations may be limited by reduced genetic diversity—a problem known as the “genetic paradox of invasions”. One potential solution to this paradox is if there are multiple invasive waves that bolster genetic variation in invasive populations. Evaluating this hypothesis requires characterizing genetic variation and population structure in the introduced range. To this end, we assemble a reference genome and describe patterns of genetic variation in the introduced white pine sawfly, Diprion similis . This species was introduced to North America in 1914, where it has undergone a rapid host shift to the thin-needled eastern white pine ( Pinus strobus ), making it an ideal invasion system for studying adaptation to novel environments. To evaluate evidence of multiple introductions, we generated whole-genome resequencing data for 64 D. similis females sampled across the North American range. Both model-based and model-free clustering analyses supported a single population for North American D. similis . Within this population, we found evidence of isolation-by-distance and a pattern of declining heterozygosity with distance from the hypothesized introduction site. Together, these results support a single-introduction event. We consider implications of these findings for the genetic paradox of invasion and discuss priorities for future research in D. similis , a promising model system for invasion biology.

Abstract Genome-wide association studies implicate multiple loci in risk for systemic lupus erythematosus (SLE), but few contain exonic variants, rendering systematic identification of non-coding variants essential to decoding SLE genetics. We utilized SNP-seq and bioinformatic enrichment to interrogate 2180 single-nucleotide polymorphisms (SNPs) from 87 SLE risk loci for potential binding of transcription factors and related proteins from B cells. 52 SNPs that passed initial screening were tested by electrophoretic mobility shift and luciferase reporter assays. To validate the approach, we studied rs2297550 in detail, finding that the risk allele enhanced binding to the transcription factor Ikaros (IKZF1), thereby modulating expression of IKBKE . Correspondingly, primary cells from genotyped healthy donors bearing the risk allele expressed higher levels of the interferon / NF-κB regulator IKKε. Together, these findings define a set of likely functional non-coding lupus risk variants and identify a new regulatory pathway involving rs2297550, Ikaros, and IKKε implicated by human genetics in risk for SLE.

Abstract The Hunt bumble bee, Bombus huntii, is a widely distributed pollinator in western North America. The species produces large colony sizes in captive rearing conditions, experiences low parasite and pathogen loads, and has been demonstrated to be an effective pollinator of tomatoes grown in controlled environment agriculture systems. These desirable traits have galvanized producer efforts to develop commercial B. huntii colonies for growers to deliver pollination services to crops. To better understand B. huntii biology and support population genetic studies and breeding decisions, we sequenced and assembled the B. huntii genome from a single haploid male. High-fidelity sequencing of the entire genome using PacBio, along with HiC sequencing, led to a comprehensive contig assembly of high continuity. This assembly was further organized into a chromosomal arrangement, successfully identifying 18 chromosomes spread across the 317.4 Mb assembly with a BUSCO score indicating 97.6% completeness. Synteny analysis demonstrates shared chromosome number (n = 18) with B. terrestris, a species belonging to a different subgenus, matching the expectation that presence of 18 haploid chromosomes is an ancestral trait at least between the subgenera Pyrobombus and Bombus sensu stricto. In conclusion, the assembly outcome, alongside the minimal tissue sampled destructively, showcase efficient techniques for producing a comprehensive, highly contiguous genome.

The implementation of a new genomic assembly pipeline named only the best (otb) has effectively addressed various challenges associated with data management during the development and storage of genome assemblies. otb, which incorporates a comprehensive pipeline involving a setup layer, quality checks, templating, and the integration of Nextflow and Singularity. The primary objective of otb is to streamline the process of creating a HiFi/HiC genome, aiming to minimize the manual intervention required in the genome assembly process. The Two-lined spittlebug, (Prosapia bicincta, Hemiptera: Cercopidae), a true bug insect herbivore, serves as a practical test case for evaluating otb. The two-lined spittlebug is both a crucial agricultural pest and a genomically understudied insect belonging to the order Hemiptera. This insect is a significant threat to grasslands and pastures, leading to plant wilting and phytotoxemia when infested. Its presence in tropical and subtropical regions around the world poses a long-term threat to the composition of plant communities in grassland landscapes, impacting rangelands, and posing a substantial risk to cattle production.

The Hunt bumble bee, Bombus huntii , is a widely distributed pollinator in western North America. The species produces large colony sizes in captive rearing conditions, experiences low parasite and pathogen loads, and has been demonstrated to be an effective pollinator of tomatoes grown in controlled environment agriculture systems. These desirable traits have galvanized producer efforts to develop commercial B. huntii colonies for growers to deliver pollination services to crops. To better understand B. huntii biology and support population genetic studies and breeding decisions, we sequenced and assembled the B. huntii genome from a single haploid male. High-fidelity sequencing of the entire genome using PacBio, along with HiC sequencing, led to a comprehensive contig assembly of high continuity. This assembly was further organized into a chromosomal arrangement, successfully identifying 18 chromosomes spread across the 317.4 Mb assembly with a BUSCO score indicating >98% completeness. Synteny analysis demonstrates shared chromosome number ( n = 18) with B. terrestris , a species belonging to a different subgenus, matching the expectation that presence of 18 haploid chromosomes is an ancestral trait at least between the subgenera Pyrobombus and Bombus sensu stricto . In conclusion, these assembly outcomes, alongside the minimal tissue sampled destructively, showcase techniques for producing efficient, comprehensive, and continuous genome arrangements.