Deep avian evolutionary relationships have been difficult to resolve as a result of a putative explosive radiation. Our study examined ∼32 kilobases of aligned nuclear DNA sequences from 19 independent loci for 169 species, representing all major extant groups, and recovered a robust phylogeny from a genome-wide signal supported by multiple analytical methods. We documented well-supported, previously unrecognized interordinal relationships (such as a sister relationship between passerines and parrots) and corroborated previously contentious groupings (such as flamingos and grebes). Our conclusions challenge current classifications and alter our understanding of trait evolution; for example, some diurnal birds evolved from nocturnal ancestors. Our results provide a valuable resource for phylogenetic and comparative studies in birds.

Avian faunas vary greatly among montane areas; those at high latitudes are biologically impoverished, whereas those of some low-latitude mountains are biologically very complex. Their high level of species richness is caused by the aggregation of many small-ranged species, which has been difficult to explain from purely macroecological models focusing on contemporary ecological processes. Because the individual mountain tracts harbor species that represent different evolutionary trajectories, it seems plausible to relate these species assemblages to high persistence (or absence of extinction) in addition to high levels of speciation. The distribution of small-ranged species is concentrated near tropical coasts, where moderation of the climate in topographically complex areas creates cloud forests and stable local conditions. The stability underpins specialization and resilience of local populations, and thereby the role of these places as cradles of biodiversity.

Tetrapods (amphibians, reptiles, birds, and mammals) are model systems for global biodiversity science, but continuing data gaps, limited data standardisation, and ongoing flux in taxonomic nomenclature constrain integrative research on this group and potentially cause biased inference. We combined and harmonised taxonomic, spatial, phylogenetic, and attribute data with phylogeny-based multiple imputation to provide a comprehensive data resource (TetrapodTraits 1.0.0) that includes values, predictions, and sources for body size, activity time, micro- and macrohabitat, ecosystem, threat status, biogeography, insularity, environmental preferences, and human influence, for all 33,281 tetrapod species covered in recent fully sampled phylogenies. We assess gaps and biases across taxa and space, finding that shared data missing in attribute values increased with taxon-level completeness and richness across clades. Prediction of missing attribute values using multiple imputation revealed substantial changes in estimated macroecological patterns. These results highlight biases incurred by nonrandom missingness and strategies to best address them. While there is an obvious need for further data collection and updates, our phylogeny-informed database of tetrapod traits can support a more comprehensive representation of tetrapod species and their attributes in ecology, evolution, and conservation research.

Southern Africa boasts an extraordinary diversity of birds, posited to have at least in part been driven by a “species pump” model, facilitated by an intermittent arid corridor connecting it with northeast Africa. This arid corridor arose and disappeared in concert with Plio-Pleistocene climate fluctuations, providing a means for northern, primarily arid-adapted lineages, to disperse to and subsequently colonize Southern Africa. Here, we test this “species pump” at the intra-specific level. We focus on Cape Robin-chats ( Cossypha caffra ) which have disjunct resident populations in the forested mountains of East Africa and in the aridlands of Southern Africa. We use multi-locus data to estimate gene flow between these populations, model spatial connectivity across this region contemporaneously and over the past 120 thousand years, and test niche differentiation. We found evidence for highly asymmetric gene flow (north to south) among Cape Robin-chat populations, and niche differentiation coupled with an inferred niche-based environmental filter limiting gene flow from southern to northern populations. Habitat suitability supports the presence of an intermittent corridor stretching from the Horn of Africa to Southern Africa. We propose that a modified species pump incorporating niche divergence and subsequent dispersal limitation driven by environmental filters has contributed to population differentiation among northern and southern populations of Cape Robin-chats, and that this same mechanism over time may have contributed to the rich avifaunal diversity of Southern Africa. Southern Africa has rich avifauna with high endemicity driven in part by in situ speciation. Using a combination of genetic analyses, niche models, and dispersal models, we find support for an intermittent aridlands corridor between disjunct populations of Cape Robin-chats modulated by Plio-Pleistocene climatic oscillations. This study shows niche divergence and asymmetric gene flow between southern and northern populations, providing a mechanism for population divergence. This supports the existence of an aridlands species pump that drives population divergence and may have contributed to species diversification in the Southern Africa avifauna.

Abstract Animal coloration serves many biological functions and must therefore balance potentially competing selective pressures. For example, many animals have camouflage, in which coloration matches the visual background against which predators scan for prey. However, different colors reflect different amounts of solar radiation and may therefore have thermoregulatory implications as well. In this study, we examined geographic variation in dorsal patterning, color, and solar reflectance among Horned Larks ( Eremophila alpestris ) of the western United States. We found associations between dorsal plumage brightness, hue, and patterning relative to the soil conditions where specimens were collected. Specifically, brighter dorsal plumage corresponded to brighter soil, while redder, more saturated hues in dorsal plumage corresponded to redder soils. Furthermore, backs with more high-contrast patterning were more common among females and also associated with soil that had coarser soil fragments, suggesting that lark plumage has been selected to optimize background matching in different environments. We also found that larks exhibited higher solar reflectance in hotter and more arid environments, which lowers the water requirements for homeothermy. Taken together, these findings suggest that natural selection has balanced camouflage and thermoregulation in Horned Larks across a wide variety of soil types and abiotic conditions.

Abstract Tetrapods (amphibian, reptiles, birds and mammals) are model systems for global biodiversity science, but continuing data gaps, limited data standardisation, and ongoing flux in taxonomic nomenclature constrain integrative research on this group and potentially cause biased inference. We combined and harmonised taxonomic, spatial, phylogenetic, and attribute data with phylogeny-based multiple imputation to provide a comprehensive data resource (TetrapodTraits 1.0.0) that includes values, predictions, and sources for body size, activity time, micro- and macrohabitat, ecosystem, threat status, biogeography, insularity, environmental preferences and human influence, for all 33,281 tetrapod species covered in recent fully sampled phylogenies. We assess gaps and biases across taxa and space, finding that shared data missing in attribute values increased with taxon-level completeness and richness across clades. Prediction of missing attribute values using multiple imputation revealed substantial changes in estimated macroecological patterns. These results highlight biases incurred by non-random missingness and strategies to best address them. While there is an obvious need for further data collection and updates, our phylogeny--informed database of tetrapod traits can support a more comprehensive representation of tetrapod species and their attributes in ecology, evolution, and conservation research.

ABSTRACT Combating the current biodiversity crisis requires the accurate documentation of population responses to human-induced ecological change. To this end, museum collections preserve a record of population responses to anthropogenic change that can provide critical baseline data on patterns of genetic diversity, connectivity, and population structure. We leveraged spatially-replicated time series of specimens to document population genomic responses to the destruction of nearly 90% of coastal habitats occupied by the Savannah sparrow ( Passerculus sandwichensis ) in California. Spatial-temporal analyses of genetic diversity from 219 sparrows collected between 1889-2017 showed that the amount of habitat lost was not predictive of genetic diversity loss. Despite experiencing the greatest levels of habitat loss, we found that genetic diversity in the San Francisco Bay Area remained relatively high. Over the past century, immigration into the Bay Area from interior populations has also increased. This may have minimized genetic diversity declines, but likely led to the erosion of divergence at loci associated with tidal marsh adaptation. Tracing the genomic trajectories of multiple populations over time provided unique insights into how shifting patterns of gene flow through time in response to human-induced habitat loss may contribute to negative fitness consequences.

We analyzed whole-genome data of four spotted owls (Strix occidentalis) to provide a broad-scale assessment of the genome-wide nucleotide diversity across S. occidentalis populations in California. We assumed that each of the four samples was representative of its population and we estimated effective population sizes through time for each corresponding population. Our estimates provided evidence of long-term population declines in all California S. occidentalis populations. We found no evidence of genetic differentiation between northern spotted owl (S. o. caurina) populations in the counties of Marin and Humboldt in California. We estimated greater differentiation between populations at the northern and southern extremes of the range of the California spotted owl (S. o. occidentalis) than between populations of S. o. occidentalis and S. o. caurina in northern California. The San Diego County S. o. occidentalis population was substantially diverged from the other three S. occidentalis populations. These whole-genome data support a pattern of isolation-by-distance across spotted owl populations in California, rather than elevated differentiation between currently recognized subspecies.

As the barred owl (Strix varia; Aves: Strigiformes: Strigidae) expands throughout western North America, hybridization between barred and spotted owls (Strix varia and S. occidentalis, respectively), if abundant, may lead to genetic swamping of the endangered spotted owl. We analyzed low-coverage, whole-genome sequence data from fifty-one barred and spotted owls to investigate recent introgression between these two species. Although we obtained genomic confirmation that these species can and do hybridize and backcross, we found no evidence of widespread introgression. Plumage characteristics of western S. varia that suggested admixture with S. occidentalis appear unrelated to S. occidentalis ancestry and may instead reflect local selection.

Abstract Thermal soaring conditions above the sea have long been assumed absent or too weak for terrestrial migrating birds, forcing large obligate soarers to take long detours and avoid sea crossing, and facultative soarers to cross exclusively by costly flapping flight. Thus, while atmospheric convection does develop at sea and is utilized by some seabirds, it has been largely ignored in avian migration research. Here we provide direct evidence for routine thermal soaring over open sea in the common crane, the heaviest facultative soarer known among terrestrial migrating birds. Using high-resolution biologging from 44 cranes tracked across their transcontinental migration over 4 years, we show that soaring characteristics and performance were no different over sea than over land in mid-latitudes. Sea-soaring occurred predominantly in autumn when large water-air temperature difference followed mid-latitude cyclones. Our findings challenge a fundamental paradigm in avian migration research and suggest that large soaring migrants avoid sea crossing not due to absence or weakness of thermals but due to their uncertainty and the costs of prolonged flapping. Marine cold air outbreaks, imperative to the global energy budget and climate system, may also be important for bird migration, calling for more multidisciplinary research across biological and atmospheric sciences.