To better determine the history of modern birds, we performed a genome-scale phylogenetic analysis of 48 species representing all orders of Neoaves using phylogenomic methods created to handle genome-scale data. We recovered a highly resolved tree that confirms previously controversial sister or close relationships. We identified the first divergence in Neoaves, two groups we named Passerea and Columbea, representing independent lineages of diverse and convergently evolved land and water bird species. Among Passerea, we infer the common ancestor of core landbirds to have been an apex predator and confirm independent gains of vocal learning. Among Columbea, we identify pigeons and flamingoes as belonging to sister clades. Even with whole genomes, some of the earliest branches in Neoaves proved challenging to resolve, which was best explained by massive protein-coding sequence convergence and high levels of incomplete lineage sorting that occurred during a rapid radiation after the Cretaceous-Paleogene mass extinction event about 66 million years ago.

Although massively parallel sequencing has facilitated large-scale DNA sequencing, comparisons among distantly related species rely upon small portions of the genome that are easily aligned. Methods are needed to efficiently obtain comparable DNA fragments prior to massively parallel sequencing, particularly for biologists working with non-model organisms. We introduce a new class of molecular marker, anchored by ultraconserved genomic elements (UCEs), that universally enable target enrichment and sequencing of thousands of orthologous loci across species separated by hundreds of millions of years of evolution. Our analyses here focus on use of UCE markers in Amniota because UCEs and phylogenetic relationships are well-known in some amniotes. We perform an in silico experiment to demonstrate that sequence flanking 2030 UCEs contains information sufficient to enable unambiguous recovery of the established primate phylogeny. We extend this experiment by performing an in vitro enrichment of 2386 UCE-anchored loci from nine, non-model avian species. We then use alignments of 854 of these loci to unambiguously recover the established evolutionary relationships within and among three ancient bird lineages. Because many organismal lineages have UCEs, this type of genetic marker and the analytical framework we outline can be applied across the tree of life, potentially reshaping our understanding of phylogeny at many taxonomic levels.

Abstract

 Single nucleotide polymorphisms (SNPs) represent the most widespread type of sequence variation in genomes, yet they have only emerged recently as valuable genetic markers for revealing the evolutionary history of populations. Their occurrence throughout the genome also makes them ideal for analyses of speciation and historical demography, especially in light of recent theory suggesting that many unlinked nuclear loci are needed to estimate population genetic parameters with statistical confidence. In spite of having lower variation compared with microsatellites, SNPs should make the comparison of genomic diversities and histories of different species (the core goal of comparative biogeography) more straightforward than has been possible with microsatellites. The most pervasive, but correctable, complication to SNP analysis is a bias towards analyzing only the most variable loci, an artifact that is usually introduced by the limited number of individuals used to screen initially for polymorphisms. Although the use of SNPs as markers in population studies is still new, innovative methods for SNP identification, automated screening, haplotype inference and statistical analysis might quickly make SNPs the marker of choice.

Diversification of Neotropical birds is not directly linked to the Andean uplift, the major landscape change of the Neogene period; instead, most diversification is post-Neogene and species diversity is dependent on how long lineages have persisted in the landscape and how easily they disperse. The idea that landscape change drives diversification is firmly embedded in the biogeographical literature. It has been difficult to test this against alternative possibilities, including a model in which diversification is driven by evolutionary persistence and geographic structuring of populations by the ability of an organism to navigate the landscape matrix. Robb Brumfield and colleagues have examined patterns of genetic differentiation in co-distributed bird species in tropical Central and South America and find unequivocal support for the latter model. The data are a poor fit to the model invoking landscape change, revealing no direct link to Andes uplift. Rather, diversification times differ from each other widely and depend on how long lineages persist in the landscape and how easily they disperse. Since the recognition that allopatric speciation can be induced by large-scale reconfigurations of the landscape that isolate formerly continuous populations, such as the separation of continents by plate tectonics, the uplift of mountains or the formation of large rivers, landscape change has been viewed as a primary driver of biological diversification. This process is referred to in biogeography as vicariance1. In the most species-rich region of the world, the Neotropics, the sundering of populations associated with the Andean uplift is ascribed this principal role in speciation2,3,4,5. An alternative model posits that rather than being directly linked to landscape change, allopatric speciation is initiated to a greater extent by dispersal events, with the principal drivers of speciation being organism-specific abilities to persist and disperse in the landscape6,7. Landscape change is not a necessity for speciation in this model8. Here we show that spatial and temporal patterns of genetic differentiation in Neotropical birds are highly discordant across lineages and are not reconcilable with a model linking speciation solely to landscape change. Instead, the strongest predictors of speciation are the amount of time a lineage has persisted in the landscape and the ability of birds to move through the landscape matrix. These results, augmented by the observation that most species-level diversity originated after episodes of major Andean uplift in the Neogene period, suggest that dispersal and differentiation on a matrix previously shaped by large-scale landscape events was a major driver of avian speciation in lowland Neotropical rainforests.

Phylogenomics offers the potential to fully resolve the Tree of Life, but increasing genomic coverage also reveals conflicting evolutionary histories among genes, demanding new analytical strategies for elucidating a single history of life. Here, we outline a phylogenomic approach using a novel class of phylogenetic markers derived from ultraconserved elements and flanking DNA. Using species-tree analysis that accounts for discord among hundreds of independent loci, we show that this class of marker is useful for recovering deep-level phylogeny in placental mammals. In broad outline, our phylogeny agrees with recent phylogenomic studies of mammals, including several formerly controversial relationships. Our results also inform two outstanding questions in placental mammal phylogeny involving rapid speciation, where species-tree methods are particularly needed. Contrary to most phylogenomic studies, our study supports a first-diverging placental mammal lineage that includes elephants and tenrecs (Afrotheria). The level of conflict among gene histories is consistent with this basal divergence occurring in or near a phylogenetic “anomaly zone” where a failure to account for coalescent stochasticity will mislead phylogenetic inference. Addressing a long-standing phylogenetic mystery, we find some support from a high genomic coverage data set for a traditional placement of bats (Chiroptera) sister to a clade containing Perissodactyla, Cetartiodactyla, and Carnivora, and not nested within the latter clade, as has been suggested recently, although other results were conflicting. One of the most remarkable findings of our study is that ultraconserved elements and their flanking DNA are a rich source of phylogenetic information with strong potential for application across Amniotes.

We present the first genomic-scale analysis addressing the phylogenetic position of turtles, using over 1000 loci from representatives of all major reptile lineages including tuatara. Previously, studies of morphological traits positioned turtles either at the base of the reptile tree or with lizards, snakes and tuatara (lepidosaurs), whereas molecular analyses typically allied turtles with crocodiles and birds (archosaurs). A recent analysis of shared microRNA families found that turtles are more closely related to lepidosaurs. To test this hypothesis with data from many single-copy nuclear loci dispersed throughout the genome, we used sequence capture, high-throughput sequencing and published genomes to obtain sequences from 1145 ultraconserved elements (UCEs) and their variable flanking DNA. The resulting phylogeny provides overwhelming support for the hypothesis that turtles evolved from a common ancestor of birds and crocodilians, rejecting the hypothesized relationship between turtles and lepidosaurs.

Dispersal can stimulate speciation by facilitating geographical expansion across barriers or inhibit speciation by maintaining gene flow among populations. Therefore, the relationship between dispersal ability and speciation rates can be positive or negative. Furthermore, an ‘intermediate dispersal’ model that combines positive and negative effects predicts a unimodal relationship between dispersal and diversification. Because both dispersal ability and speciation rates are difficult to quantify, empirical evidence for the relationship between dispersal and diversification remains scarce. Using a surrogate for flight performance and a species-level DNA-based phylogeny of a large South American bird radiation (the Furnariidae), we found that lineages with higher dispersal ability experienced lower speciation rates. We propose that the degree of fragmentation or permeability of the geographical setting together with the intermediate dispersal model are crucial in reconciling previous, often contradictory findings regarding the relationship between dispersal and diversification.

Evolutionary relationships among birds in Neoaves, the clade comprising the vast majority of avian diversity, have vexed systematists due to the ancient, rapid radiation of numerous lineages. We applied a new phylogenomic approach to resolve relationships in Neoaves using target enrichment (sequence capture) and high-throughput sequencing of ultraconserved elements (UCEs) in avian genomes. We collected sequence data from UCE loci for 32 members of Neoaves and one outgroup (chicken) and analyzed data sets that differed in their amount of missing data. An alignment of 1,541 loci that allowed missing data was 87% complete and resulted in a highly resolved phylogeny with broad agreement between the Bayesian and maximum-likelihood (ML) trees. Although results from the 100% complete matrix of 416 UCE loci were similar, the Bayesian and ML trees differed to a greater extent in this analysis, suggesting that increasing from 416 to 1,541 loci led to increased stability and resolution of the tree. Novel results of our study include surprisingly close relationships between phenotypically divergent bird families, such as tropicbirds (Phaethontidae) and the sunbittern (Eurypygidae) as well as between bustards (Otididae) and turacos (Musophagidae). This phylogeny bolsters support for monophyletic waterbird and landbird clades and also strongly supports controversial results from previous studies, including the sister relationship between passerines and parrots and the non-monophyly of raptorial birds in the hawk and falcon families. Although significant challenges remain to fully resolving some of the deep relationships in Neoaves, especially among lineages outside the waterbirds and landbirds, this study suggests that increased data will yield an increasingly resolved avian phylogeny.

Comparative genetic studies of non-model organisms are transforming rapidly due to major advances in sequencing technology. A limiting factor in these studies has been the identification and screening of orthologous loci across an evolutionarily distant set of taxa. Here, we evaluate the efficacy of genomic markers targeting ultraconserved DNA elements (UCEs) for analyses at shallow evolutionary timescales. Using sequence capture and massively parallel sequencing to generate UCE data for five co-distributed Neotropical rainforest bird species, we recovered 776–1516 UCE loci across the five species. Across species, 53–77% of the loci were polymorphic, containing between 2.0 and 3.2 variable sites per polymorphic locus, on average. We performed species tree construction, coalescent modeling, and species delimitation, and we found that the five co-distributed species exhibited discordant phylogeographic histories. We also found that species trees and divergence times estimated from UCEs were similar to the parameters obtained from mtDNA. The species that inhabit the understory had older divergence times across barriers, contained a higher number of cryptic species, and exhibited larger effective population sizes relative to the species inhabiting the canopy. Because orthologous UCEs can be obtained from a wide array of taxa, are polymorphic at shallow evolutionary timescales, and can be generated rapidly at low cost, they are an effective genetic marker for studies investigating evolutionary patterns and processes at shallow timescales. [Birds; coalescent theory; isolation-with-migration; massively parallel sequencing; Neotropics; next-generation sequencing; phylogeography; SNPs.]

Whole-genome sequencing projects are increasingly populating the tree of life and characterizing biodiversity1–4. Sparse taxon sampling has previously been proposed to confound phylogenetic inference5, and captures only a fraction of the genomic diversity. Here we report a substantial step towards the dense representation of avian phylogenetic and molecular diversity, by analysing 363 genomes from 92.4% of bird families—including 267 newly sequenced genomes produced for phase II of the Bird 10,000 Genomes (B10K) Project. We use this comparative genome dataset in combination with a pipeline that leverages a reference-free whole-genome alignment to identify orthologous regions in greater numbers than has previously been possible and to recognize genomic novelties in particular bird lineages. The densely sampled alignment provides a single-base-pair map of selection, has more than doubled the fraction of bases that are confidently predicted to be under conservation and reveals extensive patterns of weak selection in predominantly non-coding DNA. Our results demonstrate that increasing the diversity of genomes used in comparative studies can reveal more shared and lineage-specific variation, and improve the investigation of genomic characteristics. We anticipate that this genomic resource will offer new perspectives on evolutionary processes in cross-species comparative analyses and assist in efforts to conserve species. A dataset of the genomes of 363 species from the Bird 10,000 Genomes Project shows increased power to detect shared and lineage-specific variation, demonstrating the importance of phylogenetically diverse taxon sampling in whole-genome sequencing.