Abstract Rapid enhancer and slow promoter evolution have been demonstrated through comparative genomics. However, it is not clear how this information is encoded genetically and if this can be used to place evolution in a predictive context. Part of the challenge is that our understanding of the potential for regulatory evolution is biased primarily toward natural variation or limited experimental perturbations. Here, to explore the evolutionary capacity of promoter variation, we surveyed an unbiased mutation library for three promoters in Drosophila melanogaster . We found that mutations in promoters had limited to no effect on spatial patterns of gene expression. Compared to developmental enhancers, promoters are more robust to mutations and have more access to mutations that can increase gene expression, suggesting that their low activity might be a result of selection. Consistent with these observations, increasing the promoter activity at the endogenous locus of shavenbaby led to increased transcription yet limited phenotypic changes. Taken together, developmental promoters may encode robust transcriptional outputs allowing evolvability through the integration of diverse developmental enhancers. Quote “Regulators, mount up [at transcriptional promoters].” - Warren G & Nate Dogg, 1994

Although the effects of genetic and environmental perturbations on multicellular organisms are rarely restricted to single phenotypic layers, our current understanding of how developmental programs react to these challenges at a systems level remains limited. Here, we have examined the phenotypic consequences of disturbing the classic bicoid network in Drosophila , which is essential for anterior-posterior patterning in the early embryo. This network can be synthetically perturbed by increasing the dosage of bicoid , which causes a posterior shift of the network's regulatory outputs and a decrease in fitness. To directly monitor network changes across populations and time with extra copies of bicoid , we performed genome-wide EMS mutagenesis, followed by experimental evolution. After only 8-15 generations, experimental populations have normalized patterns of gene expression and increased survival. Using a phenomics approach, we find that populations were normalized through rapid increases in embryo size driven by maternal changes in metabolism and ovariole development. We extend our results to additional populations of flies, demonstrating predictability. Together, our results necessitate a broader view of regulatory network evolution at the systems level. In the future, such synthetic evolution approaches using animal models could provide a generalizable platform for studying the propagation of genetic perturbations across the many layers of complex multicellular systems.

Over time, species evolve substantial phenotype differences. Yet, genetic analysis of these traits is limited by reproductive barriers to those phenotypes that distinguish closely related species. Here, we conduct a genome-wide non-complementation screen to identify genes that contribute to a major difference in thermal growth profile between two Saccharomyces species. S. cerevisiae is capable of growing at temperatures exceeding 40°C, whereas S. uvarum cannot grow above 33°C but outperforms S. cerevisiae at 4°C. The screen revealed only a single nuclear-encoded gene with a modest contribution to heat tolerance, but a large effect of the species' mitochondrial DNA (mitotype). Furthermore, we found that, while the S. cerevisiae mitotype confers heat tolerance, the S. uvarum mitotype confers cold tolerance. Recombinant mitotypes indicate multiple genes contribute to thermal divergence. Mitochondrial allele replacements showed that divergence in the coding sequence of COX1 has a moderate effect on both heat and cold tolerance, but it does not explain the entire difference between the two mitochondrial genomes. Our results highlight a polygenic architecture for interspecific phenotypic divergence and point to the mitochondrial genome as an evolutionary hotspot for not only reproductive incompatibilities, but also thermal divergence in yeast.

Abstract Insect biomass is declining across the globe at an alarming rate. Climate change and the widespread use of pesticides have been hypothesized as two underlying drivers. However, the lack of systematic experimental studies across chemicals and species limits our causal understanding of this problem. Here, we employed a chemical library encompassing 1024 different molecules—including insecticides, herbicides, fungicides, and plant growth inhibitors —to investigate how insect populations are affected by varying concentrations of pesticides, focusing on sublethal doses. Using a controlled laboratory pipeline for Drosophila melanogaster , we found that 57% of these chemicals affect the behavior of larvae at sublethal concentrations, and an even higher proportion compromises long-term survivability after acute exposure. Consistent with these results, we observed that exposure to chemicals at doses orders of magnitude below lethality induced widespread phosphorylation changes across the larval proteome. The effects of agrochemicals were amplified when the ambient temperature was increased by four degrees. We also tested the synergistic effects of multiple chemicals at doses found widely in nature and observed fitness-reducing changes in larval developmental time, behavior, and reproduction. Finally, we expanded our investigation to additional fly species, mosquitos, and butterflies and detected similar behavioral alterations triggered by pesticides at sublethal concentrations. Our results provide experimental evidence that strongly suggests sublethal doses of agrochemicals coupled with changes in environmental temperatures are contributing to the global decline in insect populations. We anticipate that our assays can contribute to improving chemical safety assessment, better protect the environment, secure food supplies, and safeguard animal and human health, as well as understand our rapidly changing world.

Under the model of micromutationism, phenotypic divergence between species is caused by accumulation of many small-effect changes. While mapping the causal changes to single nucleotide resolution could be difficult for diverged species, genetic dissection via chimeric constructs allows us to evaluate whether a large-effect gene is composed of many small-effect nucleotide changes. In a previously described non-complementation screen, we found allele difference of CUP2 , a copper-binding transcription factor, underlie divergence in copper resistance between Saccharomyces cerevisiae and S. uvarum . Here, we tested whether the allele effect of CUP2 was caused by multiple nucleotide changes. By analyzing chimeric constructs containing four separate regions in the CUP2 gene, including its distal promoter, proximal promoter, DNA binding domain and transcriptional activation domain, we found that all four regions of the S. cerevisiae allele conferred copper resistance, with the proximal promoter showing the largest effect, and that both additive and epistatic effects are likely involved. These findings support a model of multiple changes underlying evolution and suggest an important role of both protein coding and cis -regulatory changes in evolution.

Gene regulation is a ubiquitous mechanism by which organisms respond to their environment. While organisms are often found to be adapted to the environments they experience, the role of gene regulation in environmental adaptation is not often known. In this study, we examine divergence in cis-regulatory effects between two Saccharomyces species, S. cerevisiae and S. uvarum, that have substantially diverged in their thermal growth profile. We measured allele specific expression (ASE) in the species' hybrid at three temperatures, the highest of which is lethal to S. uvarum but not the hybrid or S. cerevisiae. We find that S. uvarum alleles can be expressed at the same level as S. cerevisiae alleles at high temperature and most cis-acting differences in gene expression are not dependent on temperature. While a small set of 136 genes show temperature-dependent ASE, we find no indication that signatures of directional cis-regulatory evolution are associated with temperature. Within promoter regions we find binding sites enriched upstream of temperature responsive genes, but only weak correlations between binding site and expression divergence. Our results indicate that temperature divergence between S. cerevisiae and S. uvarum has not caused widespread divergence in cis-regulatory activity, but point to a small subset of genes where the species' alleles show differences in magnitude or opposite responses to temperature. The difficulty of explaining divergence in cis-regulatory sequences with models of transcription factor binding sites and nucleosome positioning highlights the importance of identifying mutations that underlie cis-regulatory divergence between species.

A growing body of research suggests that the mitochondrial genome (mtDNA) is important for temperature adaptation. In the yeast genus Saccharomyces, species have diverged in temperature tolerance, driving their use in high or low temperature fermentations. Here we experimentally test the role of mtDNA in temperature tolerance in synthetic and industrial hybrids (Saccharomyces cerevisiae x Saccharomyces eubayanus, or Saccharomyces pastorianus), which cold-brew lager beer. We find that the relative temperature tolerances of hybrids correspond to the parent donating mtDNA, allowing us to modulate lager strain temperature preferences. The strong influence of mitotype on the temperature tolerance of otherwise identical hybrid strains provides support for the mitochondrial climactic adaptation hypothesis in yeasts and demonstrates how mitotype has influenced the world's most commonly fermented beverage.