Empirical data suggest that inversions in many species contain genes important for intraspecific divergence and speciation, yet mechanisms of evolution remain unclear. While genes inside an inversion are tightly linked, inversions are not static but evolve separately from the rest of the genome by new mutations, recombination within arrangements, and gene flux between arrangements. Inversion polymorphisms are maintained by different processes, for example, divergent or balancing selection, or a mix of multiple processes. Moreover, the relative roles of selection, drift, mutation, and recombination will change over the lifetime of an inversion and within its area of distribution. We believe inversions are central to the evolution of many species, but we need many more data and new models to understand the complex mechanisms involved.

Hybridization is a common evolutionary process with multiple possible outcomes.In vertebrates, interspecific hybridization has repeatedly generated parthenogenetic hybrid species.However, it is unknown whether the generation of parthenogenetic hybrids is a rare outcome of frequent hybridization between sexual species within a genus or the typical outcome of rare hybridization events.Darevskia is a genus of rock lizards with both hybrid parthenogenetic and sexual species.Using capture sequencing, we estimate phylogenetic relationships and gene flow among the sexual species, to determine how introgressive hybridization relates to the origins of parthenogenetic hybrids.We find evidence for widespread hybridization with gene flow, both between recently diverged species and deep branches.Surprisingly, we find no signal of gene flow between parental species of the parthenogenetic hybrids, suggesting that the parental pairs were either reproductively or geographically isolated early in their divergence.The generation of parthenogenetic hybrids in Darevskia is, then, a rare outcome of the total occurrence of hybridization within the genus, but the typical outcome when specific species pairs hybridize.Our results question the conventional view that parthenogenetic lineages are generated by hybridization in a window of divergence.Instead, they suggest that some lineages possess specific properties that underpin successful parthenogenetic reproduction.

Predicting the outcomes of adaptation is a major goal of evolutionary biology. When temporal changes in the environment mirror spatial gradients, it opens up the potential for predicting the course of adaptive evolution over time based on patterns of spatial genetic and phenotypic variation. We assessed this approach in a 30-year transplant experiment in the marine snail Littorina saxatilis. In 1992, snails were transplanted from a predation-dominated environment to one dominated by wave action. Based on spatial patterns, we predicted transitions in shell size and morphology, allele frequencies at positions throughout the genome, and chromosomal rearrangement frequencies. Observed changes closely agreed with predictions. Hence, transformation can be both dramatic and rapid, and predicted from knowledge of the phenotypic and genetic variation among populations.

Abstract Key innovations are fundamental to biological diversification, but their genetic architecture is poorly understood. A recent transition from egg-laying to live-bearing in Littorina snails provides the opportunity to study the architecture of an innovation that has evolved repeatedly in animals. Samples do not cluster by reproductive mode in a genome-wide phylogeny, but local genealogical analysis revealed numerous genomic regions where all live-bearers carry the same core haplotype. Associated regions show evidence for live-bearer-specific positive selection, and are enriched for genes that are differentially expressed between egg-laying and live-bearing reproductive systems. Ages of selective sweeps suggest live-bearing alleles accumulated gradually, involving selection at different times in the past. Our results suggest that innovation can have a polygenic basis, and that novel functions can evolve gradually, rather than in a single step.

Speciation typically occurs in a time frame too long to be observed directly. This issue can be over-come by studying pairs of populations at different points in the speciation continuum, ideally within clades so that patterns are not confounded by differences among taxa. Such comparisons are possible in the marine snail Littorina saxatilis because it shows repeated occurrence of ecotypes adapted to either crab predation or wave action that differ in age and environmental context. Here, we explored transects spanning hybrid zones between the crab and wave ecotypes to contrast barriers to gene flow in Spain and Sweden, using low coverage whole genome sequencing, shell features, and behavioural traits. The two countries showed parallel divergence but distinct patterns of differentiation between the ecotypes: a continuous cline in Sweden but two highly genetically and phenotypically divergent, and partly spatially-overlapping clusters in Spain. Spanish early-generation hybrids were not observed but a low level of gene flow still seems to occur. In both countries, highly differentiated loci are clustered in genomic regions covered by chromosomal inversions but also occur in collinear regions. Despite being the same species and showing similar levels of phenotypic divergence, the Spanish ecotypes are closer to full reproductive isolation than the Swedish ecotypes. We discuss potential mechanisms contributing to the evolution of these different levels of reproductive isolation, particularly the age of the population, the strength of selection, the spatial context, and the role of assortative mating.

When divergent populations are connected by gene flow, the establishment of complete reproductive isolation usually requires the joint action of multiple barrier effects. One example where multiple barrier effects are coupled consists of a single trait that is under divergent natural selection and also mediates assortative mating. Such multiple-effect traits can strongly reduce gene flow. However, there are few cases where patterns of assortative mating have been described quantitatively and their impact on gene flow has been determined. Two ecotypes of the coastal marine snail, Littorina saxatilis , occur in North Atlantic rocky-shore habitats dominated by either crab predation or wave action. There is evidence for divergent natural selection acting on size, and size-assortative mating has previously been documented. Here, we analyze the mating pattern in L. saxatilis with respect to size in intensively-sampled transects across boundaries between the habitats. We show that the mating pattern is mostly conserved between ecotypes and that it generates both assortment and sexual selection for small male size. Using simulations, we show that the mating pattern can contribute to reproductive isolation between ecotypes but the barrier to gene flow is likely strengthened more by sexual selection than by assortment.

Abstract Polymorphic short insertions and deletions (INDELs ≤ 50 bp) are abundant, although less common than single nucleotide polymorphisms (SNPs). Evidence from model organisms shows INDELs to be more strongly influenced by purifying selection than SNPs. Partly for this reason, INDELs are rarely used as markers for demographic processes or to detect divergent selection. Here, we compared INDELs and SNPs in the intertidal snail Littorina saxatilis, focusing on hybrid zones between ecotypes, in order to test the utility of INDELs in the detection of divergent selection. We computed INDEL and SNP site frequency spectra (SFS) using capture sequencing data. We assessed the impact of divergent selection by analysing allele frequency clines across habitat boundaries. We also examined the influence of GC-biased gene conversion because it may be confounded with signatures of selection. We show evidence that short INDELs are affected more by purifying selection than SNPs, but part of the observed SFS difference can be attributed to GC-biased gene conversion. We did not find a difference in the impact of divergent selection between short INDELs and SNPs. Short INDELs and SNPs were similarly distributed across the genome and so are likely to respond to indirect selection in the same way. A few regions likely affected by divergent selection were revealed by INDELs and not by SNPs. Short INDELs can be useful (additional) genetic markers helping to identify genomic regions important for adaptation and population divergence.

The genetic basis of parallel ecological divergence provides important clues to the operation of natural selection and the predictability of evolution. Many examples exist where binary environmental contrasts seem to drive parallel divergence. However, this simplified view can conceal important components of parallel divergence because environmental variation is often more complex. Here, we disentangle the genetic basis of parallel divergence across two axes of environmental differentiation (crab-predation vs. wave-action and low-shore vs. high-shore habitat contrasts) in the marine snail Littorina saxatilis, a well-established natural system of parallel ecological divergence. We used whole-genome resequencing across multiple instances of these two environmental axes, at local and regional scales from Spain to Sweden. Overall, sharing of genetic differentiation is generally low but it is highly heterogeneous across the genome and increases at smaller spatial scales. We identified genomic regions, both overlapping and non-overlapping with recently described candidate chromosomal inversions, that are differentially involved in adaptation to each of the environmental axis. Thus, the evolution of parallel divergence in L. saxatilis is largely determined by the joint action of geography, history, genomic architecture and congruence between environmental axes. We argue that the maintenance of standing variation, perhaps as balanced polymorphism, and/or the re-distribution of adaptive variants via gene flow can facilitate parallel divergence in multiple directions as an adaptive response to heterogeneous environments.

Abstract A growing body of research shows that chromosomal inversions, where each arrangement is associated with a certain environment and maintains a set of adaptive alleles, make an important contribution to local adaptation. However, inversions often remain unexplored across large geographical scales. It is unclear whether inversions contribute to adaptation across species ranges, which environmental factors affect arrangement frequencies, and whether the adaptive content of the same arrangement varies between locations. Here, we discuss ideas of how allele frequency data (e.g. pool-sequencing data) can be used to learn about inversions in a simple and cost-effective way. If populations connected by migration differ in arrangement frequency, plotting their SNP allele frequencies against each other will reveal a parallelogram whose corners reflect arrangement frequencies. We demonstrate the usefulness of this approach in locally-adapted populations of the intertidal snail Littorina saxatilis (Olivi). For twelve inversions, we estimate arrangement frequencies in 20 populations across the European species range. While roughly half of the inversions contribute to adaptation to the well-studied contrast between wave-exposed and crab-infested habitats, the other half likely contribute to adaptation to shore height. We also find evidence for geographical variation in arrangement content, suggesting variation in adaptive role.