The molecular mechanisms underlying major phenotypic changes that have evolved repeatedly in nature are generally unknown. Pelvic loss in different natural populations of threespine stickleback fish has occurred through regulatory mutations deleting a tissue-specific enhancer of the Pituitary homeobox transcription factor 1 (Pitx1) gene. The high prevalence of deletion mutations at Pitx1 may be influenced by inherent structural features of the locus. Although Pitx1 null mutations are lethal in laboratory animals, Pitx1 regulatory mutations show molecular signatures of positive selection in pelvic-reduced populations. These studies illustrate how major expression and morphological changes can arise from single mutational leaps in natural populations, producing new adaptive alleles via recurrent regulatory alterations in a key developmental control gene.

How many genetic changes control the evolution of new traits in natural populations? Are the same genetic changes seen in cases of parallel evolution? Despite long-standing interest in these questions, they have been difficult to address, particularly in vertebrates. We have analyzed the genetic basis of natural variation in three different aspects of the skeletal armor of threespine sticklebacks (Gasterosteus aculeatus): the pattern, number, and size of the bony lateral plates. A few chromosomal regions can account for variation in all three aspects of the lateral plates, with one major locus contributing to most of the variation in lateral plate pattern and number. Genetic mapping and allelic complementation experiments show that the same major locus is responsible for the parallel evolution of armor plate reduction in two widely separated populations. These results suggest that a small number of genetic changes can produce major skeletal alterations in natural populations and that the same major locus is used repeatedly when similar traits evolve in different locations.

Abstract Adaptive radiation is an important mechanism of organismal diversification, and can be triggered by new ecological opportunities. Although poorly studied in this regard, parasites present an ideal system to study adaptive radiations because of their close associations with host species. Both experimental and comparative studies suggest that the ectoparasitic wing lice of pigeons and doves have undergone an adaptive radiation, resulting in differences in both body size and overall coloration. Here we show that long-distance dispersal by dove hosts was important for parasite diversification, providing new ecological opportunities for parasites to speciate by host-switching. We further show that these new opportunities for host-switching decreased over time, and cospeciation became the more dominant mode of parasite speciation. Taken together, our results suggest that host dispersal, followed by host-switching, provided novel ecological opportunities that facilitated adaptive radiation by parasites.

Abstract Deciphering the genetic basis of vertebrate craniofacial variation is a longstanding biological problem with broad implications in evolution, development, and human pathology. One of the most stunning examples of craniofacial diversification is the adaptive radiation of birds, in which the beak serves essential roles in virtually every aspect of their life histories. The domestic pigeon ( Columba livia ) provides an exceptional opportunity to study the genetic underpinnings of craniofacial variation because of its unique balance of experimental accessibility and extraordinary phenotypic diversity within a single species. We used traditional and geometric morphometrics to quantify craniofacial variation in an F 2 laboratory cross derived from the straight-beaked Pomeranian Pouter and curved-beak Scandaroon pigeon breeds. Using a combination of genome-wide quantitative trait locus scans and multi-locus modeling, we identified a set of genetic loci associated with complex shape variation in the craniofacial skeleton, including beak curvature, braincase shape, and mandible shape. Some of these loci control coordinated changes between different structures, while others explain variation in the size and shape of specific skull and jaw regions. We find that in domestic pigeons, a complex blend of both independent and coupled genetic effects underlie three-dimensional craniofacial morphology.

Abstract The genomic architecture underlying the origins and maintenance of biodiversity is an increasingly accessible feature of species, due in large part to third-generation sequencing and novel analytical toolsets. Woodrats of the genus Neotoma provide a unique opportunity to study how vertebrate herbivores respond to climate change, as two sister species ( N. bryanti and N. lepida ) independently achieved a major dietary feat – switching to the novel and toxic food source creosote bush ( Larrea tridentata ) – in the aftermath of a natural warming event. To better understand the genetic mechanisms underlying this ability, we employed a trio binning sequencing approach with a N. bryanti × N. lepida F 1 hybrid, resulting in phased, chromosome-level, highly complete, haploid genome assemblies for each species from one individual. Using these new assemblies, we explored the genomic architecture of three cytochrome p450 subfamilies (2A, 2B, and 3A) that play key roles in the metabolism of naturally occurring toxic dietary compounds. We found that woodrats show expansions of all three p450 gene families, including the evolution of multiple novel gene islands within the 2B and 3A subfamilies. Our assemblies demonstrate that trio binning from an F 1 hybrid rodent effectively recovers parental genomes from species that diverged more than a million years ago. Turnover and novelty in detoxification gene islands in herbivores is widespread within distinct p450 subfamilies, and may have provided the crucial substrate for dietary adaptation during environmental change.

Summary Vertebrate craniofacial morphogenesis is a highly orchestrated process that is directed by evolutionarily conserved developmental pathways 1,2 . Within species, canalized developmental programs typically produce only modest morphological variation. However, as a result of millennia of artificial selection, the domestic pigeon ( Columba livia ) displays radical variation in craniofacial morphology within a single species. One of the most striking cases of pigeon craniofacial variation is the short beak phenotype, which has been selected in numerous breeds. Classical genetic experiments suggest that pigeon beak length is regulated by a small number of genetic factors, one of which is sex-linked ( Ku2 locus) 3–5 . However, the molecular genetic underpinnings of pigeon craniofacial variation remain unknown. To determine the genetic basis of the short beak phenotype, we used geometric morphometrics and quantitative trait loci (QTL) mapping on an F 2 intercross between a short-beaked Old German Owl (OGO) and a medium-beaked Racing Homer (RH). We identified a single locus on the Z-chromosome that explains a majority of the variation in beak morphology in the RH x OGO F 2 population. In complementary comparative genomic analyses, we found that the same locus is also strongly differentiated between breeds with short and medium beaks. Within the differentiated Ku2 locus, we identified an amino acid substitution in the non-canonical Wnt receptor ROR2 as a putative regulator of pigeon beak length. The non-canonical Wnt (planar cell polarity) pathway serves critical roles in vertebrate neural crest cell migration and craniofacial morphogenesis 6,7 . In humans, homozygous ROR2 mutations cause autosomal recessive Robinow syndrome, a rare congenital disorder characterized by skeletal abnormalities, including a widened and shortened facial skeleton 8,9 . Our results illustrate how the extraordinary craniofacial variation among pigeons can reveal genetic regulators of vertebrate craniofacial diversity.

ABSTRACT The iris of the eye shows striking color variation across vertebrate species, and may play important roles in crypsis and communication. The domestic pigeon ( Columba livia) has three common iris colors, orange, pearl (white), and bull (dark brown), segregating in a single species, thereby providing a unique opportunity to identify the genetic basis of iris coloration. We used comparative genomics and genetic mapping in laboratory crosses to identify two candidate genes that control variation in iris color in domestic pigeons. We identified a nonsense mutation in the solute carrier SLC2A11B that is shared among all pigeons with pearl eye color, and a locus associated with bull eye color that includes EDNRB2 , a gene involved in neural crest migration and pigment development. However, bull eye is likely controlled by a heterogeneous collection of alleles across pigeon breeds. We also found that the EDNRB2 region is associated with regionalized plumage depigmentation (piebalding). Our results establish a genetic link between iris and plumage color, two traits that were long known by pigeon breeders to co-occur, and demonstrate the importance of gene duplicates in establishing possibilities and constraints in the evolution of color and color pattern among vertebrates.

The pigeon louse Columbicola columbae is a longstanding and important model for studies of ectoparasitism and host-parasite coevolution. However, a deeper understanding of its evolution and capacity for rapid adaptation is limited by a lack of genomic resources. Here, we present a high-quality draft assembly of the C. columbae genome, produced using a combination of Oxford Nanopore, Illumina, and Hi-C technologies. The final assembly is 208 Mb in length, with 12 chromosome-size scaffolds representing 98.1% of the assembly. For gene model prediction, we used a novel clustering method ( wavy_choose ) for Oxford Nanopore RNA-seq reads to feed into the MAKER annotation pipeline. High recovery of conserved single-copy orthologs (BUSCOs) suggests that our assembly and annotation are both highly complete and highly accurate. Consistent with the results of the only other assembled louse genome, Pediculus humanus , we find that C. columbae has a relatively low density of repetitive elements, the majority of which are DNA transposons. Also similar to P. humanus , we find a reduced number of genes encoding opsins, G protein-coupled receptors, odorant receptors, insulin signaling pathway components, and detoxification proteins in the C. columbae genome, relative to other insects. We propose that such losses might characterize the genomes of obligate, permanent ectoparasites with predictable habitats, limited foraging complexity, and simple dietary regimes. The sequencing and analysis for this genome were relatively low-cost, and took advantage of a new clustering technique for Oxford Nanopore RNAseq reads that will be useful to future genome projects.

Ecological speciation occurs when local adaptation generates reproductive isolation as a by-product of natural selection. Although ecological speciation is a fundamental source of diversification, the mechanistic link between natural selection and reproductive isolation remains poorly understood, especially in natural populations. Here we show that experimental evolution of parasite body size over four years (ca. 60 generations) leads to reproductive isolation in natural populations of feather lice on birds. When lice are transferred to pigeons of different sizes they rapidly evolve differences in body size that are correlated with host size. These size differences trigger mechanical mating isolation between lice that are locally adapted to the different sized hosts. Size differences among lice also influence the outcome of competition between males for access to females. Thus, body size directly mediates reproductive isolation through its influence on both inter-sexual compatibility and intra-sexual competition. Our results confirm that divergent natural selection acting on a single phenotypic trait can cause reproductive isolation to emerge from a single natural population in real time.