Convergence—the independent evolution of the same trait by two or more taxa—has long been of interest to evolutionary biologists, but only recently has the molecular basis of phenotypic convergence been identified. Here, we highlight studies of rapid evolution of cryptic coloration in vertebrates to demonstrate that phenotypic convergence can occur at multiple levels: mutations, genes and gene function. We first show that different genes can be responsible for convergent phenotypes even among closely related populations, for example, in the pale beach mice inhabiting Florida's Gulf and Atlantic coasts. By contrast, the exact same mutation can create similar phenotypes in distantly related species such as mice and mammoths. Next, we show that different mutations in the same gene need not be functionally equivalent to produce similar phenotypes. For example, separate mutations produce divergent protein function but convergent pale coloration in two lizard species. Similarly, mutations that alter the expression of a gene in different ways can, nevertheless, result in similar phenotypes, as demonstrated by sister species of deer mice. Together these studies underscore the importance of identifying not only the genes, but also the precise mutations and their effects on protein function, that contribute to adaptation and highlight how convergence can occur at different genetic levels.

Additive Effects Although specific genes involved in animal coloration have been identified, the underlying selection for genetic variation in color-specific adaptation is not well understood. Examining the Agouti gene and other loci in the deer mice of Nebraska, where predation selects for light-colored mice in light environments and dark-colored mice in dark environments, Linnen et al. (p. 1312 ) find evidence of multiple genetic variants under selection affecting coloration. The light color of Sand Hills mice is not the result of a single large-effect mutation, but is because of many accumulated mutations, each with a smaller phenotypic effect.

Abstract A central goal in evolutionary biology is to determine the predictability of adaptive genetic changes. Despite many documented cases of convergent evolution at individual loci, little is known about the repeatability of gene family expansions and contractions. To address this void, we examined gene family evolution in the redheaded pine sawfly Neodiprion lecontei , a non-eusocial hymenopteran and exemplar of a pine-specialized lineage evolved from angiosperm-feeding ancestors. After assembling and annotating a draft genome, we manually annotated multiple gene families with chemosensory, detoxification, or immunity functions and characterized their genomic distributions and evolutionary history. Our results suggest that expansions of bitter gustatory receptor (GR), clan 3 cytochrome P450 (CYP3), and antimicrobial peptide (AMP) subfamilies may have contributed to pine adaptation. By contrast, there was no evidence of recent gene family contraction via pseudogenization. Next, we compared the number of genes in these same families across insect taxa that vary in diet, dietary specialization, and social behavior. In Hymenoptera, herbivory was associated with small GR and olfactory receptor (OR) families, eusociality was associated with large OR and small AMP families, and—unlike investigations in more closely related taxa—ecological specialization was not related to gene family size. Overall, our results suggest that gene families that mediate ecological interactions may expand and contract predictably in response to particular selection pressures, however, the ecological drivers and temporal pace of gene gain and loss likely varies considerably across gene families.

Abstract Although haplodiploidy is widespread in nature, the evolutionary consequences of this sex determination mechanism are not well characterized. Here, we examine how genome-wide hemizygosity and a lack of recombination in haploid males affects genomic differentiation in populations that diverge via natural selection while experiencing gene flow. First, we simulated diploid and haplodiploid “genomes” (500-kb loci) evolving under an isolation-with-migration model with mutation, drift, selection, migration, and recombination; and examined differentiation at neutral sites both tightly and loosely linked to a divergently selected site. So long as there is divergent selection and migration, sex-limited hemizygosity and recombination cause elevated differentiation (i.e., produce a “faster-haplodiploid effect”) in haplodiploid populations relative to otherwise equivalent diploid populations, for both recessive and codominant mutations. Second, we used genome-wide SNP data to model divergence history and describe patterns of genomic differentiation between sympatric populations of Neodiprion lecontei and N. pinetum , a pair of pine sawfly species (order: Hymenoptera; family: Diprionidae) that are specialized on different pine hosts. These analyses support a history of continuous gene exchange throughout divergence and reveal a pattern of heterogeneous genomic differentiation that is consistent with divergent selection on many unlinked loci. Third, using simulations of haplodiploid and diploid populations evolving according to the estimated divergence history of N. lecontei and N. pinetum , we found that divergent selection would lead to higher differentiation in haplodiploids. Based on these results, we hypothesize that haplodiploids undergo divergence-with-gene-flow and sympatric speciation more readily than diploids.

ABSTRACT The interplay of gene flow, genetic drift, and local selective pressure is a dynamic process that has been well studied from a theoretical perspective over the last century. Wright and Haldane laid the foundation for expectations under an island-continent model, demonstrating that an island-specific beneficial allele may be maintained locally if the selection coefficient is larger than the rate of migration of the ancestral allele from the continent. Subsequent extensions of this model have provided considerably more insight. Yet, connecting theoretical results with empirical data has proven challenging, owing to a lack of information on the relationship between genotype, phenotype, and fitness. Here, we examine the demographic and selective history of deer mice in and around the Nebraska Sand Hills, a system in which variation at the Agouti locus affects cryptic coloration that in turn affects the survival of mice in their local habitat. We first genotyped 250 individuals from eleven sites along a transect spanning the Sand Hills at 660,000 SNPs across the genome. Using these genomic data, we found that deer mice first colonized the Sand Hills following the last glacial period. Subsequent high rates of gene flow have served to homogenize the majority of the genome between populations on and off the Sand Hills, with the exception of the Agouti pigmentation locus. Furthermore, mutations at this locus are strongly associated with the pigment traits that are strongly correlated with local soil coloration and thus responsible for cryptic coloration.

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 Our understanding of how novel color traits evolve in aposematic taxa is based largely on studies of reproductive stages and organisms with endogenously produced pigmentation. In these systems, genetic drift is often required for novel alleles to overcome strong purifying selection stemming from frequency-dependent predation and positive assortative mating. Here we show that the importance of these mechanisms can differ if selective processes are considered in larval stage instead. By integrating population genomic data, predation experiments and phenotypic measurements of larvae and their host plants, we show that novel white alleles in Neodiprion lecontei (pine sawfly) larvae spread via selection rather than drift. The cost of being rare was not offset by an enhanced aposematic display or immune function. Instead, bottom-up selection via host plants may drive divergence among populations as white larvae were disproportionately abundant on a pine species with a reduced carotenoid content relative to other pine hosts.

Phylogenomic approaches have recently helped elucidate various insect relationships, but large-scale comprehensive analyses on relationships within sawflies and woodwasps are still lacking. Here, we infer the relationships and long-term biogeographic history of these hymenopteran groups using a large dataset of 354 UCE loci collected from 385 species that represent all major lineages. Early Hymenoptera started diversifying during the Early Triassic ∼249 Ma and spread all over the ancient supercontinent Pangaea. We recovered Xyeloidea as a monophyletic sister group to other Hymenoptera and Pamphilioidea as sister to Unicalcarida. Within the diverse family Tenthredinidae, our taxonomically and geographically expanded taxon sampling highlights the non-monophyly of several traditionally defined subfamilies. In addition, the recent removal of Athalia and related genera from the Tenthredinidae into the separate family Athaliidae is supported. The deep historical biogeography of the group is characterised by independent dispersals and re-colonisations between the northern (Laurasia) and southern (Gondwana) palaeocontinents. The breakup of these landmasses led to ancient vicariance in several Gondwanan lineages, while interchange across the Northern Hemisphere has continued until the Recent. The little-studied African sawfly fauna is likewise a diverse mixture of groups with varying routes of colonization. Our results reveal interesting parallels in the evolution and biogeography of early hymenopterans and other ancient insect groups.

Complex life cycles—especially those with distinct larval and adult stages separated by a complete metamorphic event—are common in animals. The adaptive decoupling hypothesis (ADH) proposes that metamorphosis is an adaptation for optimizing expression of traits across life stages that experience opposing selection pressures. Similarly, sex-biased expression of traits is thought to evolve in response to sexually antagonistic selection. Both hypotheses predict that traits will be decoupled (i.e., genetically uncorrelated) among developmental stages and sexes, but direct comparisons between stage-specific and sex-specific decoupling are rare. Additionally, tests of the ADH have been hampered by a lack of suitable traits for among-stage comparisons and by uncertainties regarding how much decoupling is to be expected. To fill these voids, we characterize transcriptome-wide patterns of gene-expression decoupling in the hypermetamorphic and sexually dimorphic insect, Neodiprion lecontei . This species has three ecologically and morphologically distinct larval stages separated by molts, as well as a complete metamorphic transition that produces dimorphic adult males and females. Consistent with the ADH, we observe that: (1) the decoupling of gene expression becomes more pronounced as the ecological demands of developmental stages become more dissimilar and (2) gene-expression traits that mediate changing ecological interactions show stronger and more variable decoupling than expression traits that are likely to experience more uniform selection. We also find that gene-expression decoupling is more pronounced among major life stages than between the sexes. Overall, our results demonstrate that patterns of gene-expression decoupling can be predicted based on gene function and organismal ecology.