Abstract Fireflies (Coleoptera: Lampyridae) consist of over 2,000 described extant species. A well-resolved phylogeny of fireflies is important for the study of their population genetics, bioluminescence, evolution, and conservation. We used a recently published anchored hybrid enrichment dataset (AHE; 436 loci for 88 Lampyridae species and 10 outgroup species) and state-of-the-art statistical methods (the fossilized birth-death-range process implemented in a Bayesian framework) to estimate a time-calibrated phylogeny of Lampyridae. Unfortunately, estimating calibrated phylogenies using AHE and the latest and most robust time-calibration strategies is not possible because of computational constraints. As a solution, we subset the full dataset by applying three different strategies: (i) using the most complete loci, (ii) using the most homogeneous loci, and (iii) using the loci with the highest accuracy to infer the well established Photinus clade. The estimated topology using the three data subsets agreed on almost all major clades and only showed minor discordance within less supported nodes. The estimated divergence times overlapped for all nodes that are shared between the topologies. Thus, divergence time estimation is robust as long as the topology inference is robust and any well selected data subset suffices. Additionally, we observed an un-expected amount of gene tree discordance between the 436 AHE loci. Our assessment of model adequacy showed that standard phylogenetic substitution models are not adequate for any of the 436 AHE loci which is likely to bias phylogenetic inferences. We performed a simulation study to explore the impact of (a) incomplete lineage sorting, (b) uniformly distributed and systematic missing data, and (c) systematic bias in the position of highly variable and conserved sites. For our simulated data, we observed less gene tree variation which shows that the empirically observed amount of gene tree discordance for the AHE dataset is unexpected and needs further investigation.

Abstract The evolution of genetic sex determination is often accompanied by degradation of one of the proto sex chromosomes. Male heterogametic systems have evolved convergent, epigenetic mechanisms restoring the resulting imbalance in gene dosage between diploid autosomes (AA) and the hemizygous sex chromosome (X). Female heterogametic systems (AA f ZW f , AA m ZZ m ) tend to only show partial dosage compensation (0.5 < Z f :AA f < 1) and dosage balance (0.5<Z f :ZZ m <1). The underlying mechanism remains largely elusive. Here, we quantified gene expression for a total of 15 male and female Eurasian crows ( Corvus (corone) spp. ) raised under common garden conditions. In addition, we characterized aspects of the regulatory landscape quantifying genome-wide ATAC-seq and 5mC methylation profiles. Partial dosage compensation was explained by female upregulation of Z-linked genes accompanied by increased chromatin accessibility on the female Z chromosome. 5mC methylation was strongly reduced in open chromatin-regions and GC islands and showed chromosome-, but no sex-specific variation. With the exception of the pseudo-autosomal region (PAR), female upregulation of gene expression was evenly spread across the Z chromosome without evidence for regional epigenetic regulation, as has for example been suggested for the male hypermethylated region (MHM) in chicken. Our results support the hypothesis that partial dosage compensation in female heterogametic systems is subject to chromosome-wide, epigenetic control mediated by differential chromatin accessibility between the sexes.

Abstract Sexual dimorphism arises because of divergent fitness optima between the sexes. Phenotypic divergence between sexes can range from mild to extreme. Fireflies, bioluminescent beetles, present various degrees of sexual dimorphism, with species showing very mild sexual dimorphism to species presenting female-specific neoteny, posing a unique framework to investigate the evolution of sexually dimorphic traits across species. In this work, we present novel assembled genomes of two firefly species, Lamprohiza splendidula and Luciola italica , species with different degrees of sexual dimorphism. We uncover high synteny conservation of the X-chromosome across ~ 180 Mya and find full X-chromosome dosage compensation in our two fireflies, hinting at common mechanism upregulating the single male X-chromosome. Different degrees of sex-biased expressed genes were found across two body parts showing different proportions of expression conservation between species. Interestingly, we do not find X-chromosome enrichment of sex-biased genes, but retrieve autosomal enrichment of sex-biased genes. We further uncover higher nucleotide diversity in the intronic regions of sex-biased genes, hinting at a maintenance of heterozygosity through sexual selection. We identify different levels of sex-biased gene expression divergence including a set of genes showing conserved sex-biased gene expression between species. Divergent and conserved sex-biased genes are good candidates to test their role in the maintenance of sexually dimorphic traits.

Abstract Differential dispersion between the sexes can impact population structure and connectivity between populations, which in turn, can have an effect on the evolvability capability of a species. Here we explored the demographic history of the big European firefly, Lampyris noctiluca , which exhibits female neoteny. L. noctiluca distribution extends throughout Europe, but nothing is known on how its colonization processes. To investigate this, we produced the first Lampyris genome (653Mb), including an IsoSeq annotation and the identification of the X chromosome. We collected 115 individuals from six populations of L. noctiluca (Finland to Italy) and generated whole genome re-sequencing for each individual. We inferred several population expansions and bottlenecks throughout the Pleistocene that correlate with glaciation events. Surprisingly, we uncovered strong population structure and low gene-flow. We reject a stepwise, south to north, colonization history scenario and instead uncovered a complex demographic history with a putative eastern European origin. Analyzing the evolutionary history of the mitochondrial genome as well as X-linked and autosomal loci, we found evidence of a maternal colonialization of Germany, putatively from a western European population, followed by male-only migration from south of the Alps (Italy). Overall, investigating the demographic history and colonization patterns of a species should form part of an integrative approach of biodiversity research. Our results provide evidence of sex-biased migration which is important to consider for demographic, biogeographic and species delimitation studies.

Structural variation (SV) accounts for a substantial part of genetic mutations segregating across eukaryotic genomes with important medical and evolutionary implications. Here, we characterized SV across evolutionary time scales in the songbird genus Corvus using de novo assembly and read mapping approaches. Combining information from short-read (N = 127) and long-read re-sequencing data (N = 31) as well as from optical maps (N = 16) revealed a total of 201,738 insertions, deletions and inversions. Population genetic analysis of SV in the Eurasian crow speciation model revealed an evolutionary young (~530,000 years) cis-acting 2.25-kb retrotransposon insertion reducing expression of the NDP gene with consequences for premating isolation. Our results attest to the wealth of SV segregating in natural populations and demonstrate its evolutionary significance.

Abstract Genomic data has become ubiquitous in phylogenomic studies, including divergence time estimation, but provide new challenges. These challenges include, amongst others, biological gene tree discordance, methodological gene tree estimation error, and computational limitations on performing full Bayesian inference under complex models. In this study, we use a recently published firefly (Coleoptera: Lampyridae) anchored hybrid enrichment dataset (AHE; 436 loci for 88 Lampyridae species and 10 outgroup species) as a case study to explore gene tree estimation error and the robustness of divergence time estimation. First, we explored the amount of model violation using posterior predictive simulations because model violations are likely to bias phylogenetic inferences and produce gene tree estimation error. We specifically focused on missing data (either uniformly distributed or systematically) and the distribution of highly variable and conserved sites (either uniformly distributed or clustered). Our assessment of model adequacy showed that standard phylogenetic substitution models are not adequate for any of the 436 AHE loci. We tested if the model violations and alignment errors resulted indeed in gene tree estimation error by comparing the observed gene tree discordance to simulated gene tree discordance under the multispecies coalescent model. Thus, we show that the inferred gene tree discordance is not only due to biological mechanism but primarily due to inference errors. Lastly, we explored if divergence time estimation is robust despite the observed gene tree estimation error. We selected four subsets of the full AHE dataset, concatenated each subset and performed a Bayesian relaxed clock divergence estimation in RevBayes. The estimated divergence times overlapped for all nodes that are shared between the topologies. Thus, divergence time estimation is robust using any well selected data subset as long as the topology inference is robust.

Investigating gene expression evolution over micro- and macroevolutionary timescales will expand our understanding of the role of gene expression in adaptation and speciation processes. In this study, we characterised which evolutionary forces are acting on gene expression levels in eye and brain tissue of five Heliconius butterflies with divergent times of ~5-12 MYA. We implemented Brownian motion and Ornstein-Uhlenbeck models to identify gene expression levels evolving through genetic drift, stabilizing selection and those genes whose gene expression have experience a lineage specific shift. We uncovered that 81% of the genes evolve under genetic drift. When testing for branch specific shifts in gene expression, we detected 368 (16%) shift events. Genes presenting a shift towards an up-regulation have significantly lower gene expression variance than those showing a shift leading to a down-regulation. We hypothesise that directional selection is acting in shifts causing up-regulation, especially since transcription is costly. We further uncover through simulations that Ornstein-Uhlenbeck parameter estimation is biased when using small phylogenies and that parameter estimation only becomes reliable with phylogenies having at least 50 taxa. Therefore, we used Brownian motion to identify genes evolving under stabilizing selection, which comprised 3% of the orthoclusters. In conclusion, we found that drift is the dominant evolutionary force driving gene expression evolution in eye and brain tissue in Heliconius. Nevertheless, the higher proportion of genes evolving under directional than under stabilizing selection might reflect species specific selective pressures on vision and brain necessary to fulfill species-specific requirements.

The firefly Photinus pyralis inhabits a wide range of latitudinal and ecological niches, with populations living from temperate to tropical habitats. Its ample geographic distribution makes this species an ideal system for the study of local adaptation and demographic inference of wild populations. Therefore, in this study we modelled and inferred different demographic scenarios for North American populations of P. pyralis , collected from Texas to New Jersey. To do this, we used a combination of ABC techniques (for multi-population/colonization analyses), and likelihood inference ( dadi ) for single-population demographic inference, which proved useful with our RAD data.We uncovered that the most ancestral North American population lays in Texas, which further colonized the Central region of the US and more recently the North Eastern coast. Our study confidently rejects a demographic scenario where the North Eastern populations colonized more southern populations until reaching Texas. Our results suggest that P. pyralis originated in Central- or South America, followed by migration events that populated northern latitudes. Finally, modelling the demographic history of North American P. pyralis serves as a null model of nucleotide diversity patterns, which will inform future studies of adaptation, not only in P. pyralis , but also in other North American taxa.