Polymerase chain reaction (PCR) is a basic molecular biology technique with a multiplicity of uses, including deoxyribonucleic acid cloning and sequencing, functional analysis of genes, diagnosis of diseases, genotyping and discovery of genetic variants. Reliable primer design is crucial for successful PCR, and for over a decade, the open-source Primer3 software has been widely used for primer design, often in high-throughput genomics applications. It has also been incorporated into numerous publicly available software packages and web services. During this period, we have greatly expanded Primer3’s functionality. In this article, we describe Primer3’s current capabilities, emphasizing recent improvements. The most notable enhancements incorporate more accurate thermodynamic models in the primer design process, both to improve melting temperature prediction and to reduce the likelihood that primers will form hairpins or dimers. Additional enhancements include more precise control of primer placement—a change motivated partly by opportunities to use whole-genome sequences to improve primer specificity. We also added features to increase ease of use, including the ability to save and re-use parameter settings and the ability to require that individual primers not be used in more than one primer pair. We have made the core code more modular and provided cleaner programming interfaces to further ease integration with other software. These improvements position Primer3 for continued use with genome-scale data in the decade ahead.

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.

msatcommander is a platform-independent program designed to search for microsatellite arrays, design primers, and tag primers using an automated routine. msatcommander accepts as input DNA sequence data in single-sequence or concatenated, fasta-formatted files. Search data and locus-specific primers are written to comma-separated value files for subsequent use in spreadsheet or database programs. Binary versions of the graphical interface for msatcommander are available for Apple OS X and Windows XP. Users of other operating systems may run the graphical interface version using the available source code, provided their environment supports at least Python 2.4, Biopython 1.43, and wxPython 2.8. msatcommander is available from http://code.google.com/p/msatcommander/.

Abstract Summary: Targeted enrichment of conserved and ultraconserved genomic elements allows universal collection of phylogenomic data from hundreds of species at multiple time scales (<5 Ma to > 300 Ma). Prior to downstream inference, data from these types of targeted enrichment studies must undergo preprocessing to assemble contigs from sequence data; identify targeted, enriched loci from the off-target background data; align enriched contigs representing conserved loci to one another; and prepare and manipulate these alignments for subsequent phylogenomic inference. PHYLUCE is an efficient and easy-to-install software package that accomplishes these tasks across hundreds of taxa and thousands of enriched loci. Availability and Implementation: PHYLUCE is written for Python 2.7. PHYLUCE is supported on OSX and Linux (RedHat/CentOS) operating systems. PHYLUCE source code is distributed under a BSD-style license from https://www.github.com/faircloth-lab/phyluce/. PHYLUCE is also available as a package (https://binstar.org/faircloth-lab/phyluce) for the Anaconda Python distribution that installs all dependencies, and users can request a PHYLUCE instance on iPlant Atmosphere (tag: phyluce). The software manual and a tutorial are available from http://phyluce.readthedocs.org/en/latest/ and test data are available from doi: 10.6084/m9.figshare.1284521. Contact: brant@faircloth-lab.org Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

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.

The stinging wasps (Hymenoptera: Aculeata) are an extremely diverse lineage of hymenopteran insects, encompassing over 70,000 described species and a diversity of life history traits, including ectoparasitism, cleptoparasitism, predation, pollen feeding (bees [Anthophila] and Masarinae), and eusociality (social vespid wasps, ants, and some bees) [1]. The most well-studied lineages of Aculeata are the ants, which are ecologically dominant in most terrestrial ecosystems [2], and the bees, the most important lineage of angiosperm-pollinating insects [3]. Establishing the phylogenetic affinities of ants and bees helps us understand and reconstruct patterns of social evolution as well as fully appreciate the biological implications of the switch from carnivory to pollen feeding (pollenivory). Despite recent advancements in aculeate phylogeny [4-11], considerable uncertainty remains regarding higher-level relationships within Aculeata, including the phylogenetic affinities of ants and bees [5-7]. We used ultraconserved element (UCE) phylogenomics [7, 12] to resolve relationships among stinging-wasp families, gathering sequence data from >800 UCE loci and 187 samples, including 30 out of 31 aculeate families. We analyzed the 187-taxon dataset using multiple analytical approaches, and we evaluated several alternative taxon sets. We also tested alternative hypotheses for the phylogenetic positions of ants and bees. Our results present a highly supported phylogeny of the stinging wasps. Most importantly, we find unequivocal evidence that ants are the sister group to bees+apoid wasps (Apoidea) and that bees are nested within a paraphyletic Crabronidae. We also demonstrate that taxon choice can fundamentally impact tree topology and clade support in phylogenomic inference.

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.

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.