Abstract Understanding why some evolutionary lineages generate exceptionally high species diversity is an important goal in evolutionary biology. Haplochromine cichlid fishes of Africa’s Lake Victoria region encompass >700 diverse species that all evolved in the last 150,000 years. How this ‘Lake Victoria Region Superflock’ could evolve on such rapid timescales is an enduring question. Here, we demonstrate that hybridization between two divergent lineages facilitated this process by providing genetic variation that subsequently became recombined and sorted into many new species. Notably, the hybridization event generated exceptional allelic variation at an opsin gene known to be involved in adaptation and speciation. More generally, differentiation between new species is accentuated around variants that were fixed differences between the parental lineages, and that now appear in many new combinations in the radiation species. We conclude that hybridization between divergent lineages, when coincident with ecological opportunity, may facilitate rapid and extensive adaptive radiation.

Ecological speciation is the process by which reproductively isolated populations emerge as a consequence of divergent natural or ecologically-mediated sexual selection. Most genomic studies of ecological speciation have investigated allopatric populations, making it difficult to infer reproductive isolation. The few studies on sympatric ecotypes have focused on advanced stages of the speciation process after thousands of generations of divergence. As a consequence, we still do not know what genomic signatures of the early onset of ecological speciation look like. Here, we examined genomic differentiation among migratory lake and resident stream ecotypes of threespine stickleback reproducing in sympatry in one stream, and in parapatry in another stream. Importantly, these ecotypes started diverging less than 150 years ago. We obtained 34,756 SNPs with restriction-site associated DNA sequencing and identified genomic islands of differentiation using a Hidden Markov Model approach. Consistent with incipient ecological speciation, we found significant genomic differentiation between ecotypes both in sympatry and parapatry. Of 19 islands of differentiation resisting gene flow in sympatry, all were also differentiated in parapatry and were thus likely driven by divergent selection among habitats. These islands clustered in quantitative trait loci controlling divergent traits among the ecotypes, many of them concentrated in one region with low to intermediate recombination. Our findings suggest that adaptive genomic differentiation at many genetic loci can arise and persist in sympatry at the very early stage of ecotype divergence, and that the genomic architecture of adaptation may facilitate this.

Abstract Genetic variation segregates as linked sets of variants, or haplotypes. Haplotypes and linkage are central to genetics and underpin virtually all genetic and selection analysis. And yet, genomic data often lack haplotype information, due to constraints in sequencing technologies. Here we present “haplotagging”, a simple, low-cost linked-read sequencing technique that allows sequencing of hundreds of individuals while retaining linkage information. We apply haplotagging to construct megabase-size haplotypes for over 600 individual butterflies ( Heliconius erato and H. melpomene ), which form overlapping hybrid zones across an elevational gradient in Ecuador. Haplotagging identifies loci controlling distinctive high- and lowland wing color patterns. Divergent haplotypes are found at the same major loci in both species, while chromosome rearrangements show no parallelism. Remarkably, in both species the geographic clines for the major wing pattern loci are displaced by 18 km, leading to the rise of a novel hybrid morph in the centre of the hybrid zone. We propose that shared warning signalling (Müllerian mimicry) may couple the cline shifts seen in both species, and facilitate the parallel co-emergence of a novel hybrid morph in both co-mimetic species. Our results show the power of efficient haplotyping methods when combined with large-scale sequencing data from natural populations. One-sentence summary Haplotagging, a novel linked-read sequencing technique that enables whole genome haplotyping in large populations, reveals the formation of a novel hybrid race in parallel hybrid zones of two co-mimicking Heliconius butterfly species through strikingly parallel divergences in their genomes.

Abstract Repeated evolution can provide insight into the mechanisms that facilitate adaptation to novel or changing environments. Here we study adaptation to high altitude in two divergent tropical butterflies, H. erato and H. melpomene , which have repeatedly and independently adapted to high elevations on either side of the Andean mountains. We sequenced 518 whole genomes from elevational transects and found many regions under selection at high altitude, with repeated genetic differentiation across multiple replicates, including allopatric comparisons. In contrast, there is little ‘molecular parallelism’ between H. erato and H. melpomene . With a further 85 whole genomes of five close relatives, we find that a large proportion divergent regions have arisen from standing variation and putative adaptive introgression from high-altitude specialist species. Taken together our study supports a key role of standing genetic variation and gene flow from pre-adapted species in promoting parallel genetic local adaptation to the environment.

Abstract Understanding how organisms adapt to their local environment is central to evolution. With new whole-genome sequencing technologies and the explosion of data, deciphering the genomic basis of complex traits that are ecologically relevant is becoming increasingly feasible. Here we study the genomic basis of wing shape in two Neotropical butterflies that inhabit large geographical ranges. Heliconius butterflies at high elevations have been shown to generally have rounder wings than those in the lowlands. We reared over 1100 butterflies from 71 broods of H. erato and H. melpomene in common-garden conditions and show that wing aspect ratio, i.e. elongatedness, is highly heritable in both species and elevation-associated wing shape differences are maintained. Genome-wide associations with a published dataset of 666 whole genomes from across a hybrid zone, uncovered a highly polygenic basis to wing shape variation in the wild. We identify several genes that have roles in wing morphogenesis or wing shape variation in Drosophila flies, making them promising candidates for future studies. There was little evidence for molecular parallelism in the two species, with only one shared candidate gene, nor for a role of the four known colour pattern loci, except for optix in H. erato . Thus, we present the first insights into the heritability and genomic basis of within-species wing shape in two Heliconius species, adding to a growing body of evidence that polygenic adaptation may underlie many ecologically relevant traits.

Sex chromosomes are evolutionarily labile in many animals and sometimes fuse with autosomes, creating so-called neo-sex chromosomes. Fusions between sex chromosomes and autosomes have been proposed to reduce sexual conflict and to promote adaptation and reproductive isolation among species. Recently, advances in genomics have fuelled the discovery of such fusions across the tree of life. Here, we discovered multiple fusions leading to neo-sex chromosomes in the sapho subclade of the classical adaptive radiation of Heliconius butterflies. Heliconius butterflies generally have 21 chromosomes with very high synteny. However, the five Heliconius species in the sapho subclade show large variation in chromosome number ranging from 21 to 60. We find that the W chromosome is fused with chromosome 4 in all of them. Two sister species pairs show subsequent fusions between the W and chromosomes 9 or 14, respectively. These fusions between autosomes and sex chromosomes make Heliconius butterflies an ideal system for studying the role of neo-sex chromosomes in adaptive radiations and the degeneration of sex chromosomes over time. Our findings emphasize the capability of short-read resequencing to detect genomic signatures of fusion events between sex chromosomes and autosomes even when sex chromosomes are not explicitly assembled.

Sex chromosomes are evolutionarily labile in many animals and sometimes fuse with autosomes, creating so-called neo-sex chromosomes. Fusions between sex chromosomes and autosomes have been proposed to reduce sexual conflict and to promote adaptation and reproductive isolation among species. Recently, advances in genomics have fuelled the discovery of such fusions across the tree of life. Here, we discovered multiple fusions leading to neo-sex chromosomes in the sara/sapho clade of the classical adaptive radiation of Heliconius butterflies. Heliconius butterflies generally have 21 chromosomes with very high synteny. However, the five species in the sapho subclade show large variation in chromosome number ranging from 21 to 60. We found that the W chromosome is fused with chromosome 4 in all of them. Two sister species pairs showed subsequent fusions between the W and chromosomes 9 or 14, respectively. These sequential fusions between autosomes and sex chromosomes make Heliconius butterflies an ideal system for studying the role of neo-sex chromosomes in adaptive radiations and the degeneration of sex chromosomes over time. Our findings emphasize the capability of WGS technology to detect neo-sex chromosomes even when sex chromosomes are not explicitly assembled.

While gene flow can reduce the potential for local adaptation, hybridization may conversely provide genetic variation that increases the potential for local adaptation. Hybridization may also affect adaptation through altering sexual dimorphism and sexual conflict, but this remains largely unstudied. Here, we discuss how hybridization may affect sexual dimorphism and conflict due to differential effects of hybridization on males and females, and then how this in turn may affect local adaptation. First, the lower viability of the heterogametic sex in hybrids could shift the balance in sexual conflict. Second, sex-specific inheritance of the mitochondrial genome in hybrid may lead to cyto-nuclear mismatches, for example in the form of "mother's curse", with potential consequences for sex-ratio and sex specific expression. Third, transgressive segregation of sexually antagonistic alleles could lead to greater sexual dimorphism in hybrid populations. These mechanisms can reduce sexual conflict and enhance intersexual niche partitioning, increasing the fitness of hybrids. Adaptive introgression of alleles reducing sexual conflict or enhancing intersexual niche partitioning may facilitate local adaptation, and could favour the colonization of novel habitats. We review these consequences of hybridization on sex differences and local adaptation, and discuss how their prevalence and importance could be tested empirically.

Hybridization between invasive and native species has raised global concern given the dramatic increase in species range shifts and pest outbreaks due to climate change, development of suitable agroecosystems, and anthropogenic dispersal. Nevertheless, secondary contact between sister lineages of local and invasive species provides a natural laboratory to understand the factors that determine introgression and the maintenance or loss of species barriers. Here, we characterize the early evolutionary outcomes following secondary contact between invasive Helicoverpa armigera and H. zea in Brazil. We carried out whole-genome resequencing of Helicoverpa moths from Brazil in two temporal samples: during the outbreak of H. armigera in 2013, and more recent populations from 2017. There is evidence for a burst of hybridization and widespread introgression from local H. zea into invasive H. armigera coinciding with H. armigera expansion in 2013. However, in H. armigera , admixture proportions were reduced between 2013 and 2017, indicating a decline in hybridization rates. Recent populations also showed shorter introgressed tracks suggesting selection against admixture. In contrast to the genome-wide pattern, there was striking evidence for introgression of a single region including an insecticide-resistance allele from the invasive H. armigera into local H. zea, which increased in frequency over time but was localized within the genome. In summary, despite extensive gene-flow after secondary contact, the species boundaries are largely maintained except for the single introgressed region containing the insecticide-resistant locus. We document the worst-case scenario for an invasive species, in which there are now two pest species instead of one, and the native species has acquired resistance to pyrethroid insecticides through introgression and hybridization, with significant implications for pest management in future population expansions and introductions of novel resistance genes from new invasive H. armigera populations.Author summary Secondary contact occurs when related species with non-overlapping ranges are geographically reunited. Scenarios of secondary contact have increased due to anthropogenic movement of species outside of their native range, often resulting in invasive species that successfully spread and stabilised in the new environment. This is the case for Helicoverpa armigera , a major agricultural pest in the Old World that has recently invaded the Americas, where it reunited with its closest relative, H. zea . While some authors reported hybridisation, and hypothesised about the potential emergence of novel ecotypes and the exchange of pesticide-resistant genes, these outcomes have not been tested yet. We examine these outcomes by sequencing individuals from both species in Brazil, collected in 2013 after outbreaks of H. armigera were reported, and individuals collected during 2017. We discovered that despite hybridisation, these moths have not collapsed into a single species nor formed new ecotypes, and that the species distinctiveness is maintained through selection against most of the foreign genotypes that cross species boundaries. However, we found that hybridisation mediated the rapid acquisition of a H. armigera gene conferring resistance to pyrethroids by H. zea . The overall decline in populations of both species during the interval covered by this study means that our results are likely to reflect the consequences of hybridization events early after invasion, despite the likely ongoing introduction of H. armigera genetic diversity through trade across the South American continent. Our results provide a rare example of adaptive transferral of variation right after invasion and elucidate the dynamics of insecticide resistance evolution in H. zea .

Niche partitioning within variable habitats can expose species to distinct sensory information. Vision is the primary sensory modality used by many animals to interact with their habitat. However, within diurnal terrestrial ecosystems, little is known if, and how, variation in light environments impact species assemblages and visual system evolution. By studying a diverse, sympatric community of mimetic butterflies, we demonstrate that forest architecture creates a mosaic of light microhabitats that drive adaptive sensory convergence and divergence in both peripheral and central sensory systems. Our study provides insights into the dynamic response of visual systems when confronted with similar ecological challenges, and illustrates the wide-reaching consequences of interspecific mutualisms, such as mimicry, on organismal evolution.