Abstract Recombination is beneficial over the long term, allowing more effective selection. Despite long-term advantages of recombination, local recombination suppression can evolve and lead to genomic degeneration, in particular on sex chromosomes. Here, we investigated the tempo of degeneration in non-recombining regions, i.e., the function curve for the accumulation of deleterious mutations over time, leveraging on 22 independent events of recombination suppression identified on mating-type chromosomes of anther-smut fungi, including newly identified ones. Using previously available and newly generated high-quality genome assemblies of alternative mating types of 13 Microbotryum species, we estimated degeneration levels in terms of accumulation of non-optimal codons and non-synonymous substitutions in non-recombining regions. We found a reduced frequency of optimal codons in the non-recombining regions compared to autosomes, that was not due to less frequent GC-biased gene conversion or lower ancestral expression levels compared to recombining regions. The frequency of optimal codons rapidly decreased following recombination suppression and reached an asymptote after ca 3 Mya. The strength of purifying selection remained virtually constant at d N /d S = 0.55, i.e . at an intermediate level between purifying selection and neutral evolution. Accordingly, non-synonymous differences between mating-type chromosomes increased linearly with stratum age, at a rate of 0.015 per MY. We thus develop a method for disentangling effects of reduced selection efficacy from GC-biased gene conversion in the evolution of codon usage and we quantify the tempo of degeneration in non-recombining regions, which is important for our knowledge on genomic evolution and on the maintenance of regions without recombination.

Abstract Sex chromosomes and mating-type chromosomes can display large genomic regions without recombination. Recombination suppression often extended stepwise with time away from the sex- or mating-type-determining genes, generating evolutionary strata of differentiation between alternative sex or mating-type chromosomes. In anther-smut fungi of the Microbotryum genus, recombination suppression evolved repeatedly, linking the two mating-type loci and extended multiple times in regions distal to the mating-type genes. Here, we obtained high-quality genome assemblies of alternative mating types for four Microbotryum fungi. We found an additional event of independent chromosomal rearrangements bringing the two mating-type loci on the same chromosome followed by recombination suppression linking them. We also found, in a new clade analysed here, that recombination suppression between the two mating-type loci occurred in several steps, with first an ancestral recombination suppression between one of the mating-type locus and its centromere; later, completion of recombination suppression up to the second mating-type locus occurred independently in three species. The estimated dates of recombination suppression between the mating-type loci ranged from 0.15 to 3.58 million years ago. In total, this makes at least nine independent events of linkage between the mating-type loci across the Microbotryum genus. Several mating-type locus linkage events occurred through the same types of chromosomal rearrangements, where similar chromosome fissions at centromeres represent convergence in the genomic changes leading to the phenotypic convergence. These findings further highlight Microbotryum fungi as excellent models to study the evolution of recombination suppression.

Abstract In animals and plants, differential expression of genes on sex chromosomes is widespread and it is usually considered to result from sexually antagonistic selection; however differential expression can also be caused by asymmetrical sequence degeneration in non-recombining sex chromosomes, which has been very little studied. The anther-smut fungus Microbotryum lychnidis-dioicae is ideal to investigate the extent to which differential gene expression is associated with sequence degeneration because: 1) separate haploid cultures of opposite mating types help identify differential expression, 2) its mating-type chromosomes display multiple evolutionary strata reflecting successive events of gene linkage to the mating-type loci, and 3) antagonistic selection is unlikely between isogamous haploid mating types. We therefore tested the hypothesis that differential gene expression between mating types resulted from sequence degeneration. We found that genes showing differential expression between haploid mating types were enriched only on the oldest evolutionary strata of the mating-type chromosomes and were associated with multiple signatures of sequence degeneration. We found that differential expression between mating types was associated with elevated differences between alleles in non-synonymous substitution rates, indels and premature stop codons, transposable element insertions, and altered intron and GC content. Our findings strongly suggest that degenerative mutations are important in the evolution of differential expression in non-recombining regions. Our results are relevant for a broad range of taxa where mating compatibility or sex is determined by genes located in large regions of recombination suppression, showing that differential expression should not be taken as necessarily arising from antagonistic selection. Author Summary Differences between males and females, from morphology to behavior and physiology, are considered to largely reflect differential expression of genes that maximize fitness benefits relative to costs that are specific to one sex. However, there is an unexplored alternative to such ‘sexually antagonistic selection’ to explain differential expression. Reproductive compatibility is often determined by genes located in large non-recombining chromosomal regions, where degenerative mutations are expected to accumulate and may separately affect the expression of alternate alleles of genes. We tested the role of genetic degeneration in determining differential expression between the isogamous haploid mating types of the anther-smut fungus, Microbotryum lychnidis-dioicae , where sexually antagonistic selection is not a confounding factor. We show that differentially expressed genes are highly enriched in the non-recombining mating-type chromosomes, and that they are associated with various forms of degenerative mutations, some of which indicate that the less expressed allele suffers greater mutational effects. Our finding of the role for degenerative mutations in the evolution of differential expression is relevant for a broad range of organisms where reproductive compatibility or sex is determined by genes in regions of suppressed recombination, and shows that differential expression should not be taken as necessarily arising from antagonistic selection.

Abstract The process by which species diverge from one another, gradually accumulate genetic incompatibilities and eventually reach full-fledged reproductive isolation is a key question in evolutionary biology. However, the nature of reproductive barriers, the pace at which they accumulate and their genomic distribution remain poorly documented. The disruption of co-adapted epistatic interactions in hybrids and the accumulation of selfish genetic elements are proposed contributors to this process, and can lead to the distortion of the mendelian segregation of the affected loci across the genome. In this study we detect and quantify segregation distortion across the genomes of crosses produced from a diverse sampling of Arabidopsis lyrata and A. halleri populations, two species at the early stages of speciation and that can still interbreed. We show that both the frequency of occurrence and the magnitude of distortion loci increase as the parents’ genetic distance from one another increases. We also observe that distorter loci evolve rapidly, as they occur not only within interspecific hybrids, but also in intraspecific hybrids produced from isolated population crosses. Finally, we identify both genome-wide non-independence and two specific genomic regions on different chromosomes where opposite distortion effects are repeatedly observed across multiple F1 individuals, suggesting negative epistasis is a major contributor to the evolution of hybrid segregation distortion. Our study demonstrates that pollen-acting segregation distortion is ubiquitous, and contributes not only to the ongoing reproductive isolation between A. halleri and A. lyrata , but also between very recently diverged populations of the same species.