We describe the genome of the western painted turtle, Chrysemys picta bellii, one of the most widespread, abundant, and well-studied turtles. We place the genome into a comparative evolutionary context, and focus on genomic features associated with tooth loss, immune function, longevity, sex differentiation and determination, and the species' physiological capacities to withstand extreme anoxia and tissue freezing.Our phylogenetic analyses confirm that turtles are the sister group to living archosaurs, and demonstrate an extraordinarily slow rate of sequence evolution in the painted turtle. The ability of the painted turtle to withstand complete anoxia and partial freezing appears to be associated with common vertebrate gene networks, and we identify candidate genes for future functional analyses. Tooth loss shares a common pattern of pseudogenization and degradation of tooth-specific genes with birds, although the rate of accumulation of mutations is much slower in the painted turtle. Genes associated with sex differentiation generally reflect phylogeny rather than convergence in sex determination functionality. Among gene families that demonstrate exceptional expansions or show signatures of strong natural selection, immune function and musculoskeletal patterning genes are consistently over-represented.Our comparative genomic analyses indicate that common vertebrate regulatory networks, some of which have analogs in human diseases, are often involved in the western painted turtle's extraordinary physiological capacities. As these regulatory pathways are analyzed at the functional level, the painted turtle may offer important insights into the management of a number of human health disorders.

Natural populations subjected to strong environmental selection pressures offer a window into the genetic underpinnings of evolutionary change. Cavefish populations, Astyanax mexicanus (Teleostei: Characiphysi), exhibit repeated, independent evolution for a variety of traits including eye degeneration, pigment loss, increased size and number of taste buds and mechanosensory organs, and shifts in many behavioural traits. Surface and cave forms are interfertile making this system amenable to genetic interrogation; however, lack of a reference genome has hampered efforts to identify genes responsible for changes in cave forms of A. mexicanus. Here we present the first de novo genome assembly for Astyanax mexicanus cavefish, contrast repeat elements to other teleost genomes, identify candidate genes underlying quantitative trait loci (QTL), and assay these candidate genes for potential functional and expression differences. We expect the cavefish genome to advance understanding of the evolutionary process, as well as, analogous human disease including retinal dysfunction. Populations of the cave fish Astyanax mexicanus exhibit a variety of traits that evolved repeatedly and independently from its surface counterparts. Here the authors present a de novo genome assembly for A. mexicanusand identify candidate genes for eye loss and reduced pigmentation.

Abstract RNA-sequencing is a popular next-generation sequencing technique for assaying genome-wide gene expression profiles. Nonetheless, it is susceptible to biases that are introduced by sample handling prior gene expression measurements. Two of the most common methods for preserving samples in both field-based and laboratory conditions are submersion in RNAlater and flash freezing in liquid nitrogen. Flash freezing in liquid nitrogen can be impractical, particularly for field collections. RNAlater is a solution for stabilizing tissue for longer-term storage as it rapidly permeates tissue to protect cellular RNA. In this study, we assessed genome-wide expression patterns in 30 day old fry collected from the same brood at the same time point that were flash-frozen in liquid nitrogen and stored at −80°C or submerged and stored in RNAlater at room temperature, simulating conditions of fieldwork. We show that sample storage is a significant factor influencing observed differential gene expression. In particular, genes with elevated GC content exhibit higher observed expression levels in liquid nitrogen flash-freezing relative to RNAlater-storage. Further, genes with higher expression in RNAlater relative to liquid nitrogen experience disproportionate enrichment for functional categories, many of which are involved in RNA processing. This suggests that RNAlater may elicit a physiological response that has the potential to bias biological interpretations of expression studies. The biases introduced to observed gene expression arising from mimicking many field-based studies are substantial and should not be ignored.

Abstract Predicting the outcome of evolution is a central goal of modern biology, yet, determining the relative contributions of deterministic events (i.e., selection) and stochastic events (i.e., drift and mutation) to the evolutionary process remains a major challenge. Systems where the same traits have evolved repeatedly provide natural replication that can be leveraged to study the predictability of molecular evolution and the genetic basis of adaptation. Although mutational screens in the laboratory have demonstrated that a diversity of genetic mutations can produce phenocopies of one another, in natural systems, similar genetic changes frequently underly the evolution of phenotypes across independent lineages. This suggests a substantial role for constraint and determinism in evolution and supports the notion that there may be characteristics which make certain mutations more likely to contribute to phenotypic evolution. Here we use large-scale whole genome resequencing in the Mexican tetra, Astyanax mexicanus , to demonstrate that selection has played a primary role in repeated evolution of both trait loss and trait enhancement across independent cave lineages. We identify candidate genes underlying repeated adaptation to caves and infer the mode of repeated evolution, revealing that selection on standing genetic variation and de novo mutations both contribute substantially to repeated adaptation. Finally, we show that genes with evidence of repeated evolution have significantly longer coding regions compared to the rest of the genome, and this effect is most pronounced in genes evolving convergently via independent mutations. Importantly, our findings provide the first empirical support for the hypothesis that genes with larger mutational targets are more likely to be the substrate of repeated evolution and indicate that features of the novel cave environment may impact the rate at which mutations occur.

ABSTRACT Intact transposable elements (TEs) account for 65% of the maize genome and can impact gene function and regulation. Although TEs comprise the majority of the maize genome and affect important phenotypes, genome wide patterns of TE polymorphisms in maize have only been studied in a handful of maize genotypes, due to the challenging nature of assessing highly repetitive sequences. We implemented a method to use short read sequencing data from 509 diverse inbred lines to classify the presence/absence of 445,418 non-redundant TEs that were previously annotated in four genome assemblies including B73, Mo17, PH207, and W22. Different orders of TEs (i.e. LTRs, Helitrons, TIRs) had different frequency distributions within the population. LTRs with lower LTR similarity were generally more frequent in the population than LTRs with higher LTR similarity, though high frequency insertions with very high LTR similarity were observed. LTR similarity and frequency estimates of nested elements and the outer elements in which they insert revealed that most nesting events occurred very near the timing of the outer element insertion. TEs within genes were at higher frequency than those that were outside of genes and this is particularly true for those not inserted into introns. Many TE insertional polymorphisms observed in this population were tagged by SNP markers. However, there were also 19.9% of the TE polymorphisms that were not well tagged by SNPs (R 2 < 0.5) that potentially represent information that has not been well captured in previous SNP based marker-trait association studies. This study provides a population scale genome-wide assessment of TE variation in maize, and provides valuable insight on variation in TEs in maize and factors that contribute to this variation.

Summary Adaptation to novel environments often involves the evolution of multiple morphological, physiological and behavioral traits. One striking example of multi-trait evolution is the suite of traits that has evolved repeatedly in cave animals, including regression of eyes, loss of pigmentation, and enhancement of non-visual sensory systems [1,3]. The Mexican tetra, Astyanax mexicanus , consists of fish that inhabit at least 30 caves in Northeast Mexico and ancestral-like surface fish which inhabit the rivers of Mexico and Southern Texas [6]. Cave A. mexicanus are interfertile with surface fish and have evolved a number of traits that are common to cave animals throughout the world, including albinism, eye loss, and alterations to behavior [8–10]. To define relationships between different cave-evolved traits, we phenotyped 208 surface-cave F2 hybrid fish for numerous morphological and behavioral traits. We found significant differences in sleep between pigmented and albino hybrid fish, raising the possibility that these traits share a genetic basis. In cavefish and many other species, mutations in oculocutaneous albinism 2 ( oca2 ) cause albinism [11–15]. Surface fish with CRISPR-induced mutations in oca2 displayed both albinism and reduced sleep. Further, this mutation in oca2 fails to complement sleep loss when surface fish harboring this engineered mutation are crossed to different, independently evolved populations of albino cavefish with naturally occurring mutations in oca2 , confirming that oca2 contributes to sleep loss. Finally, analysis of the oca2 locus in wild caught cave and surface fish suggests that oca2 is under positive selection in at least three cave populations. Taken together, these findings identify oca2 as a novel regulator of sleep and suggest that a pleiotropic function of oca2 underlies the adaptive evolution of both of albinism and sleep loss.

Abstract Identifying the genetic factors that underlie complex traits is central to understanding the mechanistic underpinnings of evolution. In nature, adaptation to severe environmental change, such as encountered following colonization of caves, has dramatically altered genomes of species over varied time spans. Genomic sequencing approaches have identified mutations associated with troglomorphic trait evolution, but the functional impacts of these mutations remain poorly understood. The Mexican Tetra, Astyanax mexicanus , is abundant in the surface waters of northeastern Mexico, and also inhabits at least 30 different caves in the region. Cave-dwelling A. mexicanus morphs are well adapted to subterranean life and many populations appear to have evolved troglomorphic traits independently, while the surface-dwelling populations can be used as a proxy for the ancestral form. Here we present a high-resolution, chromosome-level surface fish genome, enabling the first genome-wide comparison between surface fish and cavefish populations. Using this resource, we performed quantitative trait locus (QTL) mapping analyses for pigmentation and eye size and found new candidate genes for eye loss such as dusp26 . We used CRISPR gene editing in A. mexicanus to confirm the essential role of a gene within an eye size QTL, rx3 , in eye formation. We also generated the first genome-wide evaluation of deletion variability that includes an analysis of the impact on protein-coding genes across cavefish populations to gain insight into this potential source of cave adaptation. The new surface fish genome reference now provides a more complete resource for comparative, functional, developmental and genetic studies of drastic trait differences within a species.

Summary Compared to selection on new mutations and standing genetic variation, the role of gene flow in generating adaptive genetic variation has been subject to much debate. Theory predicts that gene flow constrains adaptive evolution via natural selection by homogenizing allele frequencies among populations and introducing migrant alleles that may be locally maladaptive 1 . However, recent work has revealed that populations can diverge even when high levels of gene flow are present 2–4 and that gene flow may play an underappreciated role in facilitating local adaptation by increasing the amount of genetic variation present for selection to act upon 5–8 . Here, we investigate how genetic variation introduced by gene flow contributes to adaptive evolution of complex traits using an emerging eco-evolutionary model system, the Mexican tetra ( Astyanax mexicanus ). The ancestral surface form of the Mexican tetra has repeatedly invaded and adapted to cave environments. The Chica cave is unique in that it contains several pool microenvironments inhabited by putative hybrids between surface and cave populations 9 , providing an opportunity to investigate the dynamics of complex trait evolution and gene flow on a local scale. Here we conduct high-resolution genomic mapping and analysis of eye morphology and pigmentation in fish from multiple pools within Chica cave. We demonstrate that hybridization between cave and surface populations contributes to highly localized variation in behavioral and morphological traits. Analysis of sleep and locomotor behaviors between individual pools within this cave revealed reduced sleep associated with an increase in ancestry derived from cave populations, suggesting pool-specific ecological differences may drive the highly-localized evolution of sleep and locomotor behaviors. Lastly, our analyses uncovered a compelling example of convergent evolution in a core circadian clock gene in multiple independent cavefish lineages and burrowing mammals, indicating a shared genetic mechanism underlying circadian disruption in subterranean vertebrates. Together, our results provide insight into the evolutionary mechanisms that promote adaptive genetic variation and the genetic basis of complex behavioral phenotypes involved in local adaptation.

Convergent evolution is central to the study of adaptation and has been used to understand both the limits of evolution and the diverse patterns and processes which result in adaptive change. Resistance to snake venom α-neurotoxins (αNTXs) is a case of widespread convergence having evolved several times in snakes, lizards, and mammals. Despite extreme toxicity of αNTXs, substitutions in its target, the nicotinic acetylcholine receptor (nAChR), prevent αNTX binding and render species resistant. Recently, the published meerkat (Herpestidae) genome revealed that meerkats have the same substitutions in nAChR as the venom resistant Egyptian mongoose (Herpestidae), suggesting that venom-resistant nAChRs may be ancestral to Herpestids. Like the mongoose, many other species of feliform carnivores prey on venomous snakes, though their venom resistance has never been explored. To evaluate the prevalence and ancestry of αNTX resistance in mammals, we generate a dataset of mammalian nAChR utilizing museum specimens and public datasets. We find five instances of convergent evolution within feliform carnivores, and an additional eight instances across all mammals sampled. Tests of selection show that these substitutions are evolving under positive selection. Repeated convergence suggests that this adaptation played an important role in the evolution of mammalian physiology and potentially venom evolution.

Gene loss is an important mechanism for evolution in low-light or cave environments where visual adaptations often involve a reduction or loss of eyesight. The