A recent slew of ENCyclopedia Of DNA Elements (ENCODE) Consortium publications, specifically the article signed by all Consortium members, put forward the idea that more than 80% of the human genome is functional. This claim flies in the face of current estimates according to which the fraction of the genome that is evolutionarily conserved through purifying selection is less than 10%. Thus, according to the ENCODE Consortium, a biological function can be maintained indefinitely without selection, which implies that at least 80 − 10 = 70% of the genome is perfectly invulnerable to deleterious mutations, either because no mutation can ever occur in these “functional” regions or because no mutation in these regions can ever be deleterious. This absurd conclusion was reached through various means, chiefly by employing the seldom used “causal role” definition of biological function and then applying it inconsistently to different biochemical properties, by committing a logical fallacy known as “affirming the consequent,” by failing to appreciate the crucial difference between “junk DNA” and “garbage DNA,” by using analytical methods that yield biased errors and inflate estimates of functionality, by favoring statistical sensitivity over specificity, and by emphasizing statistical significance rather than the magnitude of the effect. Here, we detail the many logical and methodological transgressions involved in assigning functionality to almost every nucleotide in the human genome. The ENCODE results were predicted by one of its authors to necessitate the rewriting of textbooks. We agree, many textbooks dealing with marketing, mass-media hype, and public relations may well have to be rewritten.

Abstract Understanding the mechanisms that generate genetic variation, and thus contribute to the process of adaptation, is a major goal of evolutionary biology. Mutation and genetic exchange have been well studied as mechanisms to generate genetic variation. However, there are additional processes that may also generate substantial genetic variation in some populations and the extent to which these variation generating mechanisms are themselves shaped by natural selection is still an open question. Tetrahymena thermophila is a ciliate with an unusual mechanism of nuclear division, called amitosis, which can generate genetic variation among the asexual descendants of a newly produced sexual progeny. We hypothesize that amitosis thus increases the evolvability of newly produced sexual progeny relative to species that undergo mitosis. To test this hypothesis, we used experimental evolution and simulations to compare the rate of adaptation in T. thermophila populations founded by a single sexual progeny to parental populations that had not had sex in many generations. The populations founded by a sexual progeny adapted more quickly than parental populations in both laboratory populations and simulated populations. This suggests that the additional genetic variation generated by amitosis of a heterozygote can increase the rate of adaptation following sex and may help explain the evolutionary success of the unusual genetic architecture of Tetrahymena and ciliates more generally.

Abstract Evolutionary biologists have long sought to understand what factors affect the repeatability of adaptive outcomes. To better understand the role of temperature in determining the repeatability of adaptive trajectories, we evolved populations of different genotypes of the ciliate Tetrahymena thermophila at low and high temperatures and followed changes in growth rate over 4,000 generations. As expected, growth rate increased with a decelerating rate for all populations; however, there were differences in the patterns of evolution at the two temperatures. The growth rates of the different genotypes converged as evolution proceeded at both temperatures, but this convergence was quicker at the higher temperature. Likewise, we found greater repeatability of evolution, in terms of change in growth rate, among replicates of the same genotype at the higher temperature. Finally, we found no evidence of trade-offs in fitness between temperatures, but did observe asymmetry in the correlated responses, whereby evolution in a high temperature increases growth rate at the lower temperature significantly more than the reverse. These results demonstrate the importance of temperature in determining the repeatability of evolutionary trajectories.

Mutation is the ultimate source of all genetic variation and is, therefore, central to evolutionary change. Previous work on Paramecium tetraurelia found an unusually low germline base-substitution mutation rate in this ciliate. Here, we tested the generality of this result among ciliates using Tetrahymena thermophila. We sequenced the genomes of 10 lines of T. thermophila that had each undergone approximately 1,000 generations of mutation accumulation (MA). We developed a new probabilistic mutation detection approach that directly models the design of an MA experiment and accommodates the noise introduced by mismapped reads and also applied an existing mutation-calling pipeline. From these methods, we find that T. thermophila has a germline base-substitution mutation rate of 7.61 x 10^-12 per site, per cell division, which is consistent with the low base-substitution mutation rate in P. tetraurelia. Over the course of the evolution experiment, genomic exclusion lines derived from the MA lines experienced a fitness decline that cannot be accounted for by germline base-substitution mutations alone, suggesting that other genetic or epigenetic factors must be involved. Because selection can only operate to reduce mutation rates based upon the visible mutational load, asexual reproduction with a transcriptionally silent germline may allow ciliates to evolve extremely low germline mutation rates.

Colpodean ciliates potentially pose a problem to macro-organismic theories of evolution: they are putatively asexual and extremely ancient, and yet there is one apparently derived sexual species. If macro-organismic theories of evolution also broadly apply to microbial eukaryotes, though, then most or all of the colpodean ciliates should merely be secretively sexual. Here we show using de novo genome sequencing, that colpodean ciliates have the meiotic genes required for sex and these genes are under functional constraint. Along with these genomic data, we argue that these ciliates are sexual given the cytological observations of both micronuclei and macronuclei within their cells, and the behavioral observations of brief fusions as if the cells were mating. The challenge that colpodean ciliates pose is therefore not to evolutionary theory, but to our ability to induce microbial eukaryotic sex in the laboratory.

Abstract The environment can play an important role in determining evolutionary outcomes (Reboud and Bell 1997; Stanton et al. 2000; Gresham et al. 2008; Cooper and Lenski 2010; Becks and Agrawal 2012; Bailey et al. 2015). Populations may increase in fitness more after evolution in one environment than in another (Hegreness et al. 2008). This may be because the distance between the ancestral genotype and the top of the locally accessible fitness peak may be greater in one environment or the other. Additionally, the rate at which mutations occur and populations move up the peaks could differ. For this reason, comparing evolvability across environments presents an interesting problem. Here, we show an environment impacts evolvability in two ways, directly by impacting the rate of adaptative evolution, and indirectly by limiting the range of fitness outcomes that are possible. We show that correlated responses are often highly idiosyncratic, due to variation in the range of possible fitness outcomes in the environment and differences in pleiotropic effects across environments but can also be predicted from the ancestral growth rate regardless of the environment in which populations evolve. Interestingly, we also show a negative correlation between increase in an environment X following evolution in environment Y and the increase in environment Y following evolution in environment X. These results highlight the necessity to measure fitness in both environments when comparing the evolvability or repeatability of evolution across environments.

ABSTRACT Microbial respiration alone releases massive amounts of Carbon (C) into the atmosphere each year, greatly impacting the global C cycle that fuels climate change. Larger microbial population growth often leads to larger standing biomass, which in turns leads to higher respiration. How rising temperatures might influence microbial population growth, however, depends on how microbial thermal performance curves (TPCs) governing this growth may adapt in novel environments. This thermal adaptation will in turn depend on there being heritable genetic variation in TPCs for selection to act upon. While intraspecific variation in TPCs is traditionally viewed as being mostly environmental (E, or plastic) as a single individual can have an entire TPC, our study uncovers substantial heritable genetic variation (G) and Gene-by-Environment interactions (GxE) in the TPC of a widely distributed ciliate microbe. G results in predictable evolutionary responses to temperature-dependent selection that ultimately shape TPC adaptation in a warming world. Through mathematical modeling and experimental evolution assays we also show that TPC GxE leads to predictable temperature-dependent shifts in population genetic makeup that constrains the potential for future adaptation to warming. That is, adaptive evolution can select for decreased genetic variation which subsequently lowers the evolutionary potential of microbial TPCs. Our study reveals how temperature-dependent adaptive evolution shapes microbial population growth, a linchpin of global ecosystem function, amidst accelerating climate warming.

ABSTRACT Microorganisms play a central role in sustaining soil ecosystems and agriculture, and these functions are usually associated with their complex life history. Yet, the regulation and evolution of life history have remained enigmatic and poorly understood, especially in protozoa, the third most abundant group of organisms in the soil. Here, we explore the life history of a cosmopolitan species— Colpoda steinii . Our analysis has yielded a high-quality macronuclear genome for C. steinii , with size of 155 Mbp and 37,123 protein-coding genes, as well as mean intron length of ~93 bp, longer than most other studied ciliates. Notably, we identify two possible whole-genome duplication events in C. steinii , which may account for its genome being about twice the size of C. inflata’s , another co-existing species. We further resolve the gene expression profiles in diverse life stages of C. steinii , which are also corroborated in C. inflata . During the resting cyst stage, genes associated with cell death and vacuole formation are upregulated, and translation-related genes are downregulated. While the translation-related genes are upregulated during the excystment of resting cysts. Reproductive cysts exhibit a significant reduction in cell adhesion. We also demonstrate that most genes expressed in specific life stages are under strong purifying selection. This study offers a deeper understanding of the life history evolution that underpins the extraordinary success and ecological functions of microorganisms in soil ecosystems. IMPORTANCE Colpoda species, as a prominent group among the most widely distributed and abundant soil microorganisms, play a crucial role in sustaining soil ecosystems and promoting plant growth. This investigation reveals their exceptional macronuclear genomic features, including significantly large genome size, long introns, and numerous gene duplications. The gene expression profiles and the specific biological functions associated with the transitions between various life stages are also elucidated. The vast majority of genes linked to life stage transitions are subject to strong purifying selection, as inferred from multiple natural strains newly isolated and deeply sequenced. This substantiates the enduring and conservative nature of Colpoda ’s life history, which has persisted throughout the extensive evolutionary history of these highly successful protozoa in soil. These findings shed light on the evolutionary dynamics of microbial eukaryotes in the ever-fluctuating soil environments. This integrative research represents a significant advancement in understanding the life histories of these understudied single-celled eukaryotes.

Sex appears to be the most successful reproductive strategy in eukaryotes despite its many costs. While a complete explanation for sex's success remains elusive, several evolutionary benefits of sex have been identified, such as, the purging of deleterious mutations, the accumulation of beneficial mutations, and an advantage in biotic interactions. It is predicted that, by forgoing these benefits, asexual lineages are evolutionary dead-ends due to genetic deterioration and/or an inability to adapt to environmental changes. Consistent with this prediction, many asexual lineages show signs of accelerated accumulation of deleterious mutations compared to their sexual relatives. Despite these low expectations, some asexual eukaryotic lineages appear to be successful, including the ciliate Tetrahymena. Here, we show that the mechanism of somatic nuclear division in Tetrahymena, termed amitosis, provides benefits similar to sex, allowing for the long-term success of asexual lineages. We found that, when compared to mitosis, amitosis with chromosome copy number control reduces mutation load deterministically, slows the accumulation of deleterious mutations under genetic drift, and accelerates adaptation. These benefits arise because, like sex, amitosis can generate substantial genetic variation in fitness among (asexual) progeny. Our results indicate that the ability of Tetrahymena to persist in the absence of sex may depend on non-sexual genetic mechanisms conferring benefits typically provided by sex, as has been found in other asexual lineages.

Motivation: Mutation accumulation (MA) is the most widely used method for directly studying the effects of mutation. Modern sequencing technologies have led to an increased interest in MA experiments. By sequencing whole genomes from MA lines, researchers can directly study the rate and molecular spectra of spontaneous mutations and use these results to understand how mu- tation contributes to biological processes. At present there is no software designed specifically for identifying mutations from MA lines. Studies that combine MA with whole genome sequencing use custom bioinformatic pipelines that implement heuristic rules to identify putative mutations. Results: Here we describe accuMUlate, a program that is designed to detect mutations from MA experiments. accuMUlate implements a probabilistic model that reflects the design of a typical MA experiments while being flexible enough to accommodate properties unique to any particular experiment. For each putative mutation identified from this model accuMUlate calculates a set of summary statistics that can be used to filter sites that may be false positives. A companion tool, denominate, can be used to apply filtering rules based on these statistics to simulated mutations and thus identify the number of callable sites per sample. Availability: Source code and releases available from https://github.com/dwinter/accuMUlate.