Abstract Meiotic recombination through chromosomal crossing-over is a fundamental feature of sex and an important driver of genomic diversity. It ensures proper disjunction, allows increased selection responses, and prevents mutation accumulation; however, it is also mutagenic and can break up favourable haplotypes. This cost/benefit dynamic is likely to vary depending on mechanistic and evolutionary contexts, and indeed, recombination rates show huge variation in nature. Identifying the genetic architecture of this variation is key to understanding its causes and consequences. Here, we investigate individual recombination rate variation in wild house sparrows ( Passer domesticus ). We integrate genomic and pedigree data to identify autosomal crossover counts (ACC) and intra-chromosomal allelic shuffling ( r̅ intra ) in 13,056 gametes. Females had 1.37 times higher ACC, and 1.55 times higher r̅ intra than males. ACC and r̅ intra were heritable in females and males (ACC h 2 = 0.23 and 0.11; r̅ intra h 2 = 0.12 and 0.14), but cross-sex additive genetic correlations were low (r A = 0.29 and 0.32 for ACC and r̅ intra ). Conditional bivariate analyses showed that all measures remained heritable after accounting for genetic values in the opposite sex, indicating that sex-specific ACC and r̅ intra can evolve somewhat independently. Genome-wide models showed that ACC and r̅ intra are polygenic and driven by many small-effect loci, many of which are likely to act in trans as global recombination modifiers. Our findings show that recombination rates of females and males can have different evolutionary potential in wild birds, providing a compelling mechanism for the evolution of sexual dimorphism in recombination.

Knowledge of fine-scale spatial genetic structure, i.e., the distribution of genetic diversity at short distances, is important in evolutionary research and in practical applications such as conservation and breeding programs. In trees, related individuals often grow close to each other due to limited seed and/or pollen dispersal. The extent of seed dispersal also limits the speed at which a tree species can spread to new areas. We studied the fine-scale spatial genetic structure of Scots pine ( Pinus sylvestris ) in two naturally regenerated sites located 20 km from each other located in continuous south-eastern Finnish forest. We genotyped almost 500 adult trees for 150k SNPs using a custom made Affymetrix array. We detected some pairwise relatedness at short distances, but the average relatedness was low and decreased with increasing distance, as expected. Despite the clustering of related individuals, the sampling sites were not differentiated ( F ST = 0.0005). According to our results, Scots pine has a large neighborhood size ( Nb = 1680–3210), but a relatively short gene dispersal distance ( σ g = 36.5–71.3 m). Knowledge of Scots pine fine-scale spatial genetic structure can be used to define suitable sampling distances for evolutionary studies and practical applications. Detailed empirical estimates of dispersal are necessary both in studying post-glacial recolonization and predicting the response of forest trees to climate change.

The animal model is a key tool in quantitative genetics and has been used extensively to estimate fundamental parameters, such as additive genetic variance, heritability, or inbreeding effects. An implicit assumption of animal models is that all founder individuals derive from a single population. This assumption is commonly violated, for instance in crossbred livestock breeds, when an observed populations receives immigrants, or when a meta-population is split into genetically differentiated subpopulations. Ignoring genetic differences among different source populations of founders may lead to biased parameter estimates, in particular for the additive genetic variance. To avoid such biases, genetic group models, extensions to the animal model that account for the presence of more than one genetic group, have been proposed. As a key limitation, the method to date only allows that the breeding values differ in their means, but not in their variances among the groups. Methodology previously proposed to account for group-specific variances included terms for segregation variance, which rendered the models infeasibly complex for application to most real study systems. Here we explain why segregation variances are often negligible when analyzing the complex polygenic traits that are frequently the focus of evolutionary ecologists and animal breeders. Based on this we suggest an extension of the animal model that permits estimation of group-specific additive genetic variances. This is achieved by employing group-specific relatedness matrices for the breeding value components attributable to different genetic groups. We derive these matrices by decomposing the full relatedness matrix via the generalized Cholesky decomposition, and by scaling the respective matrix components for each group. To this end, we propose a computationally convenient approximation for the matrix component that encodes for the Mendelian sampling variance. Although convenient, this approximation is not critical. Simulations and an example from an insular meta-population of house sparrows in Norway with three genetic groups illustrate that the method is successful in estimating group-specific additive genetic variances and that segregation variances are indeed negligible in the empirical example. Quantifying differences in additive genetic variance within and among populations is of major biological interest in ecology, evolution, and animal and plant breeding. The proposed method allows to estimate such differences for subpopulations that form a connected meta-population, which may also be useful to study temporal or spatial variation of additive genetic variance.

Large and highly repetitive genomes are common. However, research interests usually lie within the non-repetitive parts of the genome, as they are more likely functional, and can be used to answer questions related to adaptation, selection, and evolutionary history. Exome capture is a cost-effective method for providing sequencing data from protein-coding parts of the genes. C0t-1 DNA blockers consist of repetitive DNA and are used in exome captures to prevent the hybridization of repetitive DNA sequences to capture baits or bait-bound genomic DNA. Universal blockers target repetitive regions shared by many species, while species-specific c0t-1 DNA is prepared from the DNA of the studied species, thus perfectly matching the repetitive DNA contents of the species. So far the use of species-specific c0t-1 DNA has been limited to a few model species. Here, we evaluated the performance of blocker treatments in exome captures of Pinus sylvestris, a widely distributed conifer species with a large (> 20 Gbp) and highly repetitive genome. We compared treatment with a commercial universal blocker to treatments with species-specific c0t-1 (30,000 ng and 60,000 ng). Species-specific c0t-1 captured more unique exons than the initial set of targets, reduced sequencing of tandem repeats, and produced more target regions with high read coverage and narrower depth distribution than the universal blocker. Based on our results, we recommend optimizing exome captures by using at least 60,000 ng species-specific c0t-1 DNA. It is relatively easy and fast to prepare and can also be used with existing bait set designs.

Summary Scots pine ( Pinus sylvestris ) is the most widespread coniferous tree in the boreal forests of Eurasia and has major economic and ecological importance. However, its large and repetitive genome presents a challenge for conducting genome-wide analyses such as association studies and genomic selection. We present a new 50K SNP genotyping array for Scots pine research, breeding programs, and other applications. To select the SNP set, we first genotyped 480 Scots pine samples on a 407 540 SNP screening array, and identified 47 712 high-quality SNPs for the final array (called ‘PiSy50k’). Here, we provide details of the design and testing, as well as allele frequency estimates from the discovery panel, functional annotation, tissue-specific expression patterns, and expression level information for the SNPs or corresponding genes, when available. We validated the performance of the PiSy50k array using samples from breeding populations from Finland and Scotland. Overall, 39 678 (83.2%) SNPs showed low error rates (mean = 0.92%). Relatedness estimates based on array genotypes were consistent with the expected pedigrees, and the amount of Mendelian error was negligible. In addition, array genotypes successfully discriminate Scots pine populations from different geographic origins. The PiSy50k array will be a valuable tool for future genetic studies and forestry applications. Significance statement Scots pine is an evolutionary, economically and ecologically impressive coniferous species but its gigantic genome has limited studying e.g. the genetic basis of its functional trait variation. We have developed a genotyping array that facilitates Scots pine genetic research and linking its trait variation to genetic polymorphisms and gene expression levels across the genome.

ABSTRACT Inbreeding can have negative effects on survival and reproduction, which may be of conservation concern in small and isolated populations. However, the physiological mechanisms underlying inbreeding depression are not well-known. The length of telomeres, the DNA sequences protecting chromosome ends, has been associated with health or fitness in several species. We investigated effects of inbreeding on early-life telomere length in two small island populations of wild house sparrows ( Passer domesticus ) known to be affected by inbreeding depression. Using genomic and pedigree-based measures of inbreeding we found that inbred nestling house sparrows have shorter telomeres. This negative effect of inbreeding on telomere length may have been complemented by a heterosis effect resulting in longer telomeres in individuals that were less inbred than the population average. Furthermore, we found some evidence of stronger effects of inbreeding on telomere length in males than females. Thus, telomere length may reveal subtle costs of inbreeding in the wild and demonstrate a route by which inbreeding negatively impacts the physiological state of an organism already at early life-history stages.