Abstract Suppressed recombination around a sex-determining locus allows divergence between homologous sex chromosomes and the functionality of their genes. Here, we reveal patterns of the earliest stages of sex-chromosome evolution in the diploid dioecious herb Mercurialis annua on the basis of cytological analysis, de novo genome assembly and annotation, genetic mapping, exome resequencing of natural populations, and transcriptome analysis. Both genetic mapping and exome resequencing of individuals across the species range independently identified the largest linkage group, LG1, as the sex chromosome. Although the sex chromosomes of M. annua are karyotypically homomorphic, we estimate that about a third of the Y chromosome has ceased recombining, a region containing 568 transcripts and spanning 22.3 cM in the corresponding female map. Patterns of gene expression hint at the possible role of sexually antagonistic selection in having favored suppressed recombination. In total, the genome assembly contained 34,105 expressed genes, of which 10,076 were assigned to linkage groups. There was limited evidence of Y-chromosome degeneration in terms of gene loss and pseudogenization, but sequence divergence between the X and Y copies of many sex-linked genes was higher than between M. annua and its dioecious sister species M. huetii with which it shares a sex-determining region. The Mendelian inheritance of sex in interspecific crosses, combined with the other observed pattern, suggest that the M. annua Y chromosome has at least two evolutionary strata: a small old stratum shared with M. huetii , and a more recent larger stratum that is probably unique to M. annua and that stopped recombining about one million years ago. Article summary Plants that evolved separate sexes (dioecy) recently are ideal models for studying the early stages of sex-chromosome evolution. Here, we use karyological, whole genome and transcriptome data to characterize the homomorphic sex chromosomes of the annual dioecious plant Mercurialis annua . Our analysis reveals many typical hallmarks of dioecy and sex-chromosome evolution, including sex-biased gene expression and high X/Y sequence divergence, yet few premature stop codons in Y-linked genes and very little outright gene loss, despite 1/3 of the sex chromosome having ceased recombination in males. Our results confirm that the M. annua species complex is a fertile system for probing early stages in the evolution of sex chromosomes.

Abstract Many insects carry an ancient X chromosome - the Drosophila Muller element F - that likely predates their origin. Interestingly, the X has undergone turnover in multiple fly species (Diptera) after being conserved for more than 450 MY. The long evolutionary distance between Diptera and other sequenced insect clades makes it difficult to infer what could have contributed to this sudden increase in rate of turnover. Here, we produce the first genome and transcriptome of a long overlooked sister-order to Diptera: Mecoptera. We compare the scorpionfly Panorpa cognata X-chromosome gene content, expression, and structure, to that of several dipteran species as well as more distantly-related insect orders (Orthoptera and Blattodea). We find high conservation of gene content between the mecopteran X and the dipteran Muller F element, as well as several shared biological features, such as the presence of dosage compensation and a low amount of genetic diversity, consistent with a low recombination rate. However, the two homologous X chromosomes differ strikingly in their size and number of genes they carry. Our results therefore support a common ancestry of the mecopteran and ancestral dipteran X chromosomes, and suggest that Muller element F shrank in size and gene content after the split of Diptera and Mecoptera, which may have contributed to its turnover in dipteran insects.

Abstract Sex chromosomes have evolved independently multiple times, but why some are conserved for more than 100 million years whereas others turnover rapidly remains an open question. Here, we examine the homology of sex chromosomes across nine orders of insects, plus the outgroup springtails. We find that the X chromosome is shared among all insect orders and springtails; the only exception is in the Lepidoptera, which has lost the X and now has a ZZ/ZW sex chromosome system. Therefore, the ancestral insect X chromosome has persisted for more than 450 million years – the oldest known sex chromosome to date. Further, we suggest that the shrinking of gene content the Dipteran X chromosome has allowed for a burst of sex-chromosome turnover that is absent from other speciose insect orders.

Abstract Eurasian brine shrimp (genus Artemia ) have closely related sexual and asexual lineages of parthenogenetic females, which produce rare males at low frequencies. Although they are known to have ZW chromosomes, these are not well characterized, and it is unclear whether they are shared across the clade. Furthermore, the underlying genetic architecture of the transmission of asexuality, which can occur when rare males mate with closely related sexual females, is not well understood. We produced a chromosome-level assembly for the Eurasian species A. sinica and characterized in detail the pair of sex chromosomes of this species. We combined this with short-read genomic data for the sexual species A. sp. Kazakhstan and several lineages of A. parthenogenetica, allowing us to perform a first in-depth characterization of sex-chromosome evolution across the genus. We identified a small differentiated region of the ZW pair that is shared by all sexual and asexual lineages, supporting the shared ancestry of the sex chromosomes. We also inferred that recombination suppression has spread to larger sections of the chromosome independently in the American and Eurasian lineages. Finally, we took advantage of a rare male, which we backcrossed to sexual females, to explore the genetic basis of asexuality. Our results suggest that parthenogenesis may be partly controlled by a locus on the Z chromosome, highlighting the interplay between sex determination and asexuality.