Abstract Carotenoid-based polymorphisms are widespread in populations of birds, fish, and reptiles 1 , but little is known of how they affect fitness and are maintained as species multiply 2 . We report a combined field and molecular-genetic investigation of a nestling beak color polymorphism in Darwin’s finches. Beaks are pink or yellow, and yellow is recessive 3 . Here we show that the polymorphism arose in the Galápagos approximately half a million years ago through a regulatory mutation in the BCO2 gene, and is shared by 14 descendant species. The frequency of the yellow genotype is associated with cactus flower abundance in cactus finches, and is altered by introgressive hybridization. The polymorphism is most likely a balanced polymorphism, maintained by ecological selection pressures associated with diet, and augmented by occasional interspecific introgression. Polymorphisms that are hidden as adults, as here, may contribute to evolutionary diversification in underappreciated ways in other systems.

Abstract The impact of human mediated environmental change on the evolutionary trajectories of wild organisms is poorly understood. In particular, species’ capacity to adapt rapidly (in hundreds of generations or less), reproducibly and predictably to extreme environmental change is unclear. Silene uniflora is predominantly a coastal species, but it has also colonised isolated, disused mines with phytotoxic, zinc-contaminated soils. Here, we found that rapid parallel adaptation to anthropogenic pollution has taken place without geneflow spreading adaptive alleles between populations of the mine ecotype. Across replicate ecotype pairs, we identified shared targets of selection with functions linked to physiological differences between the ecotypes, although the genetic response is only partially shared between mine populations. Our results are consistent with a complex, polygenic genetic architecture underpinning rapid adaptation. This shows that even under a scenario of strong selection and rapid adaptation, evolutionary responses to human activities may be idiosyncratic at the genetic level and, therefore, difficult to predict from genomic data.

Abstract Phenotypic plasticity in ancestral populations is hypothesised to facilitate adaptation, but evidence supporting its contribution is piecemeal and often contradictory. Further, whether ancestral plasticity increases the probability of parallel genetic and phenotypic adaptive changes has not been explored. The most general finding is that nearly all ancestral gene expression plasticity is reversed following adaptation, but this is usually examined transcriptome-wide rather than focused on the genes directly involved in adaptation. We investigated the contribution of ancestral plasticity to adaptive evolution of gene expression in two independently evolved lineages of zinc-tolerant Silene uniflora . We found that the general pattern of reversion is driven by the absence of a widespread stress response in zinc-adapted plants compared to ancestral, zinc-sensitive plants. Our experiments show that reinforcement of ancestral plasticity plays an influential role in the evolution of plasticity in derived populations and, surprisingly, one third of constitutive differences between ecotypes are the result of genetic assimilation of ancestral plasticity. Ancestral plasticity also increases the chance that genes are recruited repeatedly during adaptation. However, despite a high degree of convergence in gene expression levels between independently adapted lineages, genes with ancestral plasticity are as likely to have similar expression levels in adapted populations as genes without. Overall, these results demonstrate that ancestral plasticity does play an important role in adaptive parallel evolution, particularly via genetic assimilation across evolutionary replicates.

ABSTRACT Defining appropriate null expectations for species distribution hypotheses is important because sampling bias and spatial autocorrelation can produce realistic, but ecologically meaningless, geographic patterns. Generating null species occurrences with similar spatial structure to observed data can help overcome these problems, but existing methods focus on single or pairs of species and do not incorporate between-species spatial structure that may occlude comparative biogeographic analyses. Here, we describe an algorithm for generating randomised species occurrence points that mimic the within- and between-species spatial structure of real datasets and implement it in a new R package - fauxcurrence . The algorithm can be implemented on any geographic domain for any number of species, limited only by computing power. To demonstrate its utility, we apply the algorithm to two common analysis-types: testing the fit of species distribution models (SDMs) and evaluating niche-overlap. The method works well on all tested datasets within reasonable timescales. We found that many SDMs, despite a good fit to the data, were not significantly better than null expectations and identified only two cases (out of a possible 32) of significantly higher niche divergence than expected by chance. The package is user-friendly, flexible and has many potential applications beyond those tested here, such as joint SDM evaluation and species co-occurrence analysis, spanning the areas of ecology, evolutionary biology and biogeography.

Abstract Phylosymbiosis is an association between host-associated microbiome composition and host phylogeny. This pattern can arise via the evolution of host traits, habitat preferences, diets, and the co-diversification of hosts and microbes. Understanding the drivers of phylosymbiosis is vital for modelling disease-microbiome interactions and manipulating microbiomes in multi-host systems. This study quantifies phylosymbiosis in Appalachian salamander skin in the context of infection by the fungal pathogen Batrachochytrium dendrobatidis (Bd), while accounting for environmental microbiome exposure. We sampled ten salamander species representing >150M years of divergence, assessed their Bd infection status, and analysed their skin and environmental microbiomes. Our results reveal a significant signal of phylosymbiosis, whereas the local environmental pool of microbes, climate, geography, and Bd infection load had a smaller impact. Host-microbe co-speciation was not evident, indicating that the effect stems from the evolution of host traits influencing microbiome assembly. Bd infection is correlated with host phylogeny and the abundance of Bd-inhibitory bacterial strains, suggesting that the long-term evolutionary dynamics between salamander hosts and their skin microbiomes affect the present-day distribution of the pathogen, along with habitat-linked exposure risk. Five Bd-inhibitory bacterial strains showed unusual generalism: occurring in most host species and habitats. These generalist strains may enhance the likelihood of probiotic manipulations colonising and persisting on hosts. Our results underscore the substantial influence of host-microbiome eco-evolutionary dynamics on environmental health and disease outcomes.

Cartilaginous fishes (chimaeras and elasmobranchs -sharks, skates and rays) hold a key phylogenetic position to explore the origin and diversifications of jawed vertebrates. Here, we report and integrate reference genomic, transcriptomic and morphological data in the small-spotted catshark

Abstract Phenotypic plasticity may pave the way for rapid adaptation to newly encountered environments. Although it is often contested, there is growing evidence that initial plastic responses of ancestral populations to new environmental cues may promote subsequent adaptation. However, we do not know whether plasticity to cues present in the ancestral habitat (past-cue plasticity) can facilitate adaptation to novel cues. Conceivably, this could occur if plastic responses are coincidentally optimal to both past and novel cues (i.e., are pre-adaptive) or if they are transferred to novel cues during adaptation. Past plastic phenotype values could also become fixed and genetically co-opted during adaptation to the new environment. To uncover the role of past-cue plasticity in adaptation, we tested gene expression plasticity responses of two parallel mine-waste adapted Silene uniflora populations and their closest coastal relatives. Plants were exposed to the past and novel-cues of salt and zinc, which revealed that during adaptation to mine-waste plasticity to salt diminishes. Despite this, our results show that ancestral plasticity to salt has a substantial impact on subsequent adaptation to zinc. For a third of genes that have evolved zinc plasticity in mine populations, salt plasticity has been transferred to the zinc response. Furthermore, a quarter of fixed expression differences between mine and coastal populations were similar to ancestral salt responses. Alongside evidence that ancestral plasticity to novel cues can facilitate adaptation, our results provide a clear indication that ancestral past-cue plasticity can also play a key role in rapid, parallel adaptation to novel habitats. Significance Statement The role of phenotypic plasticity in promoting adaptation is hotly debated, with conflicting evidence for the benefits of ancestral plasticity in newly encountered environments. Here, we present an alternative mode by which ancestral plasticity can promote adaptation. We investigated whether phenotypic plasticity towards environmental cues that are experienced only in ancestral habitats (past-cue plasticity) can significantly contribute towards rapid adaptation to completely distinct cues. We show that, in the maritime plant species, Silene uniflora , past-cue plasticity to salt has made a substantial contribution to rapid adaptation to heavy-metal pollution in newly encountered habitats. This phenomenon has broad implications for the capacity and predictability of species to persist in the face of anthropogenic environmental change.