Abstract Bats possess extraordinary adaptations, including flight, echolocation, extreme longevity and unique immunity. High-quality genomes are crucial for understanding the molecular basis and evolution of these traits. Here we incorporated long-read sequencing and state-of-the-art scaffolding protocols 1 to generate, to our knowledge, the first reference-quality genomes of six bat species ( Rhinolophus ferrumequinum , Rousettus aegyptiacus , Phyllostomus discolor , Myotis myotis , Pipistrellus kuhlii and Molossus molossus ). We integrated gene projections from our ‘Tool to infer Orthologs from Genome Alignments’ (TOGA) software with de novo and homology gene predictions as well as short- and long-read transcriptomics to generate highly complete gene annotations. To resolve the phylogenetic position of bats within Laurasiatheria, we applied several phylogenetic methods to comprehensive sets of orthologous protein-coding and noncoding regions of the genome, and identified a basal origin for bats within Scrotifera. Our genome-wide screens revealed positive selection on hearing-related genes in the ancestral branch of bats, which is indicative of laryngeal echolocation being an ancestral trait in this clade. We found selection and loss of immunity-related genes (including pro-inflammatory NF-κB regulators) and expansions of anti-viral APOBEC3 genes, which highlights molecular mechanisms that may contribute to the exceptional immunity of bats. Genomic integrations of diverse viruses provide a genomic record of historical tolerance to viral infection in bats. Finally, we found and experimentally validated bat-specific variation in microRNAs, which may regulate bat-specific gene-expression programs. Our reference-quality bat genomes provide the resources required to uncover and validate the genomic basis of adaptations of bats, and stimulate new avenues of research that are directly relevant to human health and disease 1 .

Relative brain size has long been considered a reflection of cognitive capacities and has played a fundamental role in developing core theories in the life sciences. Yet, the notion that relative brain size validly represents selection on brain size relies on the untested assumptions that brain-body allometry is restrained to a stable scaling relationship across species and that any deviation from this slope is due to selection on brain size. Using the largest fossil and extant dataset yet assembled, we find that shifts in allometric slope underpin major transitions in mammalian evolution and are often primarily characterized by marked changes in body size. Our results reveal that the largest-brained mammals achieved large relative brain sizes by highly divergent paths. These findings prompt a reevaluation of the traditional paradigm of relative brain size and open new opportunities to improve our understanding of the genetic and developmental mechanisms that influence brain size.

Abstract Exceptionally long-lived species, including many bats, rarely show overt signs of aging, making it difficult to determine why species differ in lifespan. Here, we use DNA methylation (DNAm) profiles from 712 known-age bats, representing 26 species, to identify epigenetic changes associated with age and longevity. We demonstrate that DNAm accurately predicts chronological age. Across species, longevity is negatively associated with the rate of DNAm change at age-associated sites. Furthermore, analysis of several bat genomes reveals that hypermethylated age- and longevity-associated sites are disproportionately located in promoter regions of key transcription factors (TF) and enriched for histone and chromatin features associated with transcriptional regulation. Predicted TF binding site motifs and enrichment analyses indicate that age-related methylation change is influenced by developmental processes, while longevity-related DNAm change is associated with innate immunity or tumorigenesis genes, suggesting that bat longevity results from augmented immune response and cancer suppression.

Understanding how animals meet their daily energy requirements is critical in our rapidly changing world. Small organisms with high metabolic rates can conserve stored energy when food availability is low or increase energy intake when energetic requirements are high, but how they balance this in the wild remains largely unknown. Using miniaturized heart rate transmitters, we continuously quantified energy expenditure, torpor use and foraging behaviour of free-ranging male bats ( Nyctalus noctula ) in spring and summer. In spring, bats used torpor extensively, characterized by lowered heart rates and consequently low energy expenditures. In contrast, in summer, bats consistently avoided torpor, even though they could have used this low-energy mode. As a consequence, daytime heart rates in summer were three times as high compared with the heart rates in spring. Daily energy use increased by 42% during summer, despite lower thermogenesis costs at higher ambient temperatures. Likely, as a consequence, bats nearly doubled their foraging duration. Overall, our results indicate that summer torpor avoidance, beneficial for sperm production and self-maintenance, comes with a high energetic cost. The ability to identify and monitor such vulnerable energetic life-history stages is particularly important to predict how species will deal with increasing temperatures and changes in their resource landscapes.

ABSTRACT Changes in gene expression represent an important source for phenotypical innovation. Yet, how such changes emerge and impact the evolution of traits remains elusive. Here, we explore the molecular mechanisms associated with the development of masculinizing ovotestes in female moles. By performing comparative analyses of epigenetic and transcriptional data in mole and mouse, we identified SALL1 as a co-opted gene for the formation of testicular tissue in mole ovotestes. Chromosome conformation capture analyses highlight a striking conservation of the 3D organization at the SALL1 locus, but a prominent evolutionary turnover of enhancer elements. Interspecies reporter assays support the capability of mole-specific enhancers to activate transcription in urogenital tissues. Through overexpression experiments in transgenic mice, we further demonstrate the capability of SALL1 to induce the ectopic gene expression programs that are a signature of mole ovotestes. Our results highlight the co-option of gene expression, through changes in enhancer activity, as a prominent mechanism for the evolution of traits.

Abstract Animals frequently forage in groups on ephemeral resources to profit from social information and increased efficiency. Greater spear-nosed bats ( Phyllostomus hastatus ) develop group-specific social calls, which are hypothesized to coordinate social foraging to feed on patchily-distributed balsa flowers. To test this, we tagged all members of three social groups of P. hastatus on Isla Colón, Panamá, using high frequency GPS during a season when balsa had begun to flower. We found commuting distances of 20-30 km to foraging sites, more than double of what has been previously reported. In contrast to our expectations, we found that tagged individuals did not commute together, but did join group members in small foraging patches with high densities of flowering balsas on the mainland. We hypothesized that close proximity to group members would increase foraging efficiency if social foraging were used to find flower clusters, but distance between tagged individuals did not predict foraging efficiency or energy expenditure. However, decreased distance among tagged bat positively influenced time outside of the cave and increased the duration and synchrony of resting. These results suggest that social proximity seemed to be more important during resting, and indicate that factors other than increased feeding efficiency may structure social relationships of group members while foraging. It appears that, depending on the local resource landscape, these bats have an excellent map even of distant resources and may use social information only for current patch discovery. They then may no longer rely on social information during daily foraging. Highlights Unlike in Trinidad, greater spear-nosed bats in Panamá do not commute or forage as a group Foraging distances are double of previously known and across the sea Bats rest near each other, but do not forage more efficiently when close Social information may mainly be used for the discovery of feeding areas Local resource landscapes may cause strong variation in social behaviour

Bats account for ~20% of all extant mammal species and are considered exceptional given their extraordinary adaptations, including biosonar, true flight, extreme longevity, and unparalleled immune systems. To understand these adaptations, we generated reference-quality genomes of six species representing the key divergent lineages. We assembled these genomes with a novel pipeline incorporating state-of-the-art long-read and long-range sequencing and assembly techniques. The genomes were annotated using a maximal evidence approach, de novo predictions, protein/mRNA alignments, Iso-seq long read and RNA-seq short read transcripts, and gene projections from our new TOGA pipeline, retrieving virtually all (>99%) mammalian BUSCO genes. Phylogenetic analyses of 12,931 protein coding-genes and 10,857 conserved non-coding elements identified across 48 mammalian genomes helped to resolve bats' closest extant relatives within Laurasiatheria, supporting a basal position for bats within Scrotifera. Genome-wide screens along the bat ancestral branch revealed (a) selection on hearing-involved genes (e.g LRP2, SERPINB6, TJP2), which suggest that laryngeal echolocation is a shared ancestral trait of bats; (b) selection (e.g INAVA, CXCL13, NPSR1) and loss of immunity related proteins (e.g. LRRC70, IL36G), including pro-inflammatory NF-kB signalling; and (c) expansion of the APOBEC family, associated with restricting viral infection, transposon activity and interferon signalling. We also identified unique integrated viruses, indicating that bats have a history of tolerating viral pathogens, lethal to other mammal species. Non-coding RNA analyses identified variant and novel microRNAs, revealing regulatory relationships that may contribute to phenotypic diversity in bats. Together, our reference-quality genomes, high-quality annotations, genome-wide screens and in-vitro tests revealed previously unknown genomic adaptations in bats that may explain their extraordinary traits.

Abstract Human brains typically grow through development, then remain the same size in adulthood, and often shrink through age-related degeneration that induces cognitive decline and impaired functionality. In most cases, however, the neural and organismal changes that accompany shrinkage, especially early in the process, remain unknown. Paralleling neurodegenerative phenotypes, the Eurasian common shrew Sorex araneus , shrinks its brain in autumn through winter, but then reverses this process by rapidly regrowing the brain come spring. To identify the molecular underpinnings and parallels to human neurodegeneration of this unique brain size change, we analyzed multi-organ, season-specific transcriptomics and metabolomic data. Simultaneous with brain shrinkage, we discovered system-wide metabolic shifts from lipid to glucose metabolism, as well as neuroprotection of brain metabolic homeostasis through reduced cholesterol efflux. These mechanisms rely on a finely tuned brain-liver crosstalk that results in changes in expression of human markers of aging and neurodegeneration in Parkinson’s disease and Huntington’s disease. We propose metabolic shifts with signals that cross the brain blood barrier are central to seasonal brain size changes in S. araneus , with potential implications for therapeutic treatment of human neurodegeneration. Significance Statement Metabolic regulation has been implicated in altered brain size and function, but the processes that parallel brain shrinkage remain unknown. Sorex araneus , the Eurasian common shrew, maintains activity throughout the winter through seasonal brain size plasticity, known as Dehnel’s phenomenon. Using this predictable, natural model of brain size change, we generated and analyzed multi-omics data across organs that undergo seasonal size change to characterize underlying molecular mechanisms. Results implicate drastic metabolic shifts and coordinated brain-liver crosstalk in seasonal size change, highlighting the relationship between metabolism, aging, and neurodegeneration.

ABSTRACT Compared to their free-ranging counterparts, wild animals in captivity are subject to different conditions with lasting effects on their physiology and behavior. Alterations in gene expression in response to environmental changes occur upstream of physiological and behavioral phenotypes, but there are no experiments analyzing differential gene expression in captive vs. free-ranging mammals. We assessed gene expression profiles of three brain regions (cortex, olfactory bulb, and hippocampus) of wild juvenile shrews ( Sorex araneus ) in comparison to shrews kept in captivity for two months. We found hundreds of differentially expressed genes in all three brain regions, suggesting a large and uniform captivity effect. Many of the downregulated genes in captive shrews significantly enrich pathways associated with neurodegenerative disease (p<0.001), oxidative phosphorylation (p<0.001), and genes encoding ribosomal proteins (p<0.001). Transcriptomic changes associated with captivity in the shrew resemble responses identified in several human pathologies, such as major depressive disorder and neurodegeneration. Thus, not only does captivity impact brain function and expression, but captivity effects may also confound analyses of natural physiological processes in wild individuals under captive conditions. NEW & NOTEWORTHY To our knowledge, this is the first study that identifies a captivity effect on brain transcriptomic profiles in a mammalian species, identifying 4,094 differentially expressed genes (p<0.05) in at least one brain region with implications for experimental comparisons.

Contrasting almost all other mammalian wintering strategies, Eurasian common shrews, Sorex araneus, endure winter by shrinking their brain, skull, and most organs, only to then regrow to breeding size the following spring. How such tiny mammals achieve this unique brain size plasticity while maintaining activity through the winter remains unknown. To discover potential adaptations underlying this trait, we analyzed seasonal differential expression in the shrew hypothalamus, a brain region that both regulates metabolic homeostasis and drastically changes size and compared hypothalamus expression across species. We discovered seasonal variation in suites of genes involved in energy homeostasis and apoptosis, shrew-specific upregulation of genes involved in the development of the hypothalamic blood brain barrier and calcium signaling, as well as overlapping seasonal and comparative gene expression divergence in genes implicated in the development and progression of human neurological and metabolic disorders, including CCDC22, FAM57B, and GPR3. With high metabolic rates and facing harsh winter conditions, Sorex araneus have evolved both adaptive and plastic mechanisms to sense and regulate its energy budget. Many of these expression changes mirrored those identified in human neurological and metabolic disease, highlighting the interactions between metabolic homeostasis, brain size plasticity, and longevity.