Abstract While invasive species are a key driver of the global biodiversity crisis, the drivers of invasiveness remain debated. To investigate the genomic basis of invasiveness in plants, we use the invasive weed Ambrosia artemisiifolia , introduced to Europe in the late 19 th century, resequencing 655 ragweed genomes, including 308 herbarium specimens collected up to 190 years ago. In introduced European populations, we report selection signatures in defense genes and lower prevalence of particular plant pathogens in the invasive range. Together with temporal changes in population structure associated with introgression from closely related Ambrosia species, escape from microbial enemies likely favoured the plant’s remarkable success as an invasive species. One-Sentence Summary The invasive success of European ragweed was facilitated by release from enemy microbes and inter-species hybridization.

ABSTRACT Adaptation is the central feature and leading explanation for the evolutionary diversification of life. Adaptation is also notoriously difficult to study in nature, owing to its complexity and logistically prohibitive timescale. We leverage extensive contemporary and historical collections of Ambrosia artemisiifolia —an aggressively invasive weed and primary cause of pollen-induced hayfever—to track the phenotypic and genetic causes of recent local adaptation across its native and invasive ranges in North America and Europe, respectively. Large haploblocks— indicative of chromosomal inversions—contain a disproportionate share (26%) of genomic regions conferring parallel adaptation to local climates between ranges, are associated with rapidly adapting traits, and exhibit dramatic frequency shifts over space and time. These results highlight the importance of large-effect standing variants in rapid adaptation, which have been critical to A. artemisiifolia ’s global spread across vast climatic gradients.

Abstract Over the last few centuries, millions of plant specimens have been collected and stored within herbaria and biocultural collections. They therefore represent a considerable resource for a broad range of scientific uses. However, collections degrade over time, and it is therefore increasingly difficult to characterise their genetic signatures. Here, we genotyped highly degraded Cinchona barks and leaves from herbaria using two separate high-throughput sequencing methods (HtS) and compared their performance. We subsequently genotyped specimens using genome skimming, the most commonly performed high-throughput sequencing (HtS) technique. We additionally used a recently developed capture bait set (Angiosperm353) for a target enrichment approach. Specifically, phylogenomic analyses of modern leaf and historical barks of Cinchona were performed, including 23 historical barks and six fresh leaf specimens. We found that samples degraded over time, which directly reduced the quantity and quality of the data produced by both methodologies (in terms of reads mapped to the references). However, we found that both approaches generated enough data to infer phylogenetic relationships, even between highly degraded specimens that are over 230 years old. However, the target capture kit produced data for target nuclear loci and also chloroplast data, which allowed for phylogenies to be inferred from both genomes, whereas it was only possible to use chloroplast data using genome skimming. We therefore find the Angiosperms353 target capture kit a powerful alternative to genome skimming, which can be used to obtain more information from herbarium specimens, and ultimately additional cultural benefits.

Abstract Anthropogenic reintroduction can supplement natural recolonisation in reestablishing a species’ distribution and abundance. However, both reintroductions and recolonisations can give rise to population bottlenecks that reduce genetic diversity and increase inbreeding, potentially causing accumulation of genetic load and reduced fitness. Most current populations of the endemic high-arctic Svalbard reindeer ( Rangifer tarandus platyrhynchus ) originate from recent reintroductions or recolonisations following regional extirpations due to past overharvesting. We investigated and compared the genomic consequences of these two paths to reestablishment using whole-genome shotgun sequencing of 100 Svalbard reindeer across their range. We found little admixture between reintroduced and natural populations. Two reintroduced populations, each founded by 12 individuals around four decades (i.e. 8 reindeer generations) ago, formed two distinct genetic clusters. Compared to the source population, these populations showed only small decreases in genome-wide heterozygosity and increases in inbreeding and lengths of runs of homozygosity. In contrast, the two naturally recolonised populations without admixture possessed much lower heterozygosity, higher inbreeding, and longer runs of homozygosity, possibly caused by serial population bottlenecks and/or fewer or more genetically related founders than in the reintroduction events. Naturally recolonised populations can thus be more vulnerable to the accumulation of genetic load than reintroduced populations. This suggests that in some organisms even small-scale reintroduction programs based on genetically diverse source populations can be more effective than natural recolonisation in establishing genetically diverse populations. These findings warrant particular attention in the conservation and management of populations and species threatened by habitat fragmentation and loss.

Adaptation is a critical determinant of the diversification, persistence, and geographic range limits of species. Yet the genetic basis of adaptation is often unclear and potentially underpinned by a wide range of mutational types - from single nucleotide changes to large-scale alterations of chromosome structure. Copy number variation (CNV) is thought to be an important source of adaptive genetic variation, as indicated by decades of candidate gene studies that point to CNVs underlying rapid adaptation to strong selective pressures. Nevertheless, population genomic studies of CNVs face unique logistical challenges not encountered by other forms of genetic variation. Consequently, few studies have systematically investigated the contributions of CNVs to adaptation at a genome-wide scale. We present a genome-wide analysis of CNV contributions to the adaptation of an invasive weed, Ambrosia artemisiifolia, across its native and invasive ranges in North America and Europe, respectively. CNVs show clear signatures of parallel local adaptation between native and invasive ranges, implying widespread reuse of CNVs during adaptation to shared geographic patterns of selection. Using a local principal component analysis to genotype CNV regions in historic samples that span the last two centuries, we identified 16 large CNV regions of up to 11.85 megabases in length, six of which show signals of rapid evolutionary change, with pronounced frequency shifts between historic and modern populations. Our results provide compelling genome-wide evidence that copy number variation underlies rapid adaptation over contemporary timescales of natural populations.

Abstract Wildlife responses to habitat loss and fragmentation are a central concern in the management and conservation of biodiversity. Small and isolated populations are vulnerable, both due to demographic and genetic mechanisms, which are often linked. Thus, understanding how (changes in) genetic diversity, effective population sizes, and levels of inbreeding relate to population size and degree of isolation is key for developing effective conservation strategies. High-density Single Nucleotide Polymorphism (SNP) arrays represent an increasingly cost-efficient tool to achieve the data needed for such analysis. Here, we present the development of a novel 625k SNP array for reindeer Rangifer tarandus and apply this array to assess conservation genetic issues across thirteen Norwegian wild reindeer populations of varying size, isolation, and genetic origin (i.e., semi-domesticated reindeer origin or a mix of wild reindeer and semi-domesticated reindeer origins). Many of these populations are currently completely isolated, with no gene flow from other populations. We genotyped n = 510 individuals sampled by hunters and found that variation in population size across the populations largely predicted their (recent loss of) genetic variation (observed heterozygosity, H o ), as well as effective population size (N e ) and (change in) level of recent inbreeding. For the smallest and most isolated populations, with total population sizes of <50-100 individuals and a high and increasing level of recent inbreeding, estimated loss of genetic variation was as high as 3-10% over the time span of a generation or less, and estimated N e was as low as six individuals. With the current level of isolation and associated lack of gene flow, and considering their already low genetic diversity, these populations are hardly viable – neither demographically nor genetically – in the long term. These results have direct relevance for the management of Norwegian wild reindeer, recently red-listed as ‘Near Threatened’. Yet, these genetic challenges, characterizing many of the small ‘wild reindeer’ populations in Norway, have been largely ignored by management thus far. Mitigation efforts such as reducing barriers would introduce substantial conservation dilemma due to the aim of avoiding further spread of chronic wasting disease (CWD), as well as potential further domestic introgression into populations with genetically wild reindeer (or mixed) origin. Nevertheless, our cost-efficient and high-density SNP array especially designed for reindeer and caribou offers a powerful genetic tool to include in future monitoring, providing important contributions to management and conservation decisions.

Overharvest can severely reduce the abundance and distribution of a species and thereby impact its genetic diversity and threaten its future viability. Overharvest remains an ongoing issue for Arctic mammals, which due to climate change now also confront one of the fastest changing environments on Earth. The high-Arctic Svalbard reindeer (Rangifer tarandus platyrhynchus), endemic to Svalbard, experienced a harvest-induced demographic bottleneck that occurred during the 17-20th century. Here we investigate changes in genetic diversity, population structure and gene-specific differentiation during and after this overharvesting event. Using whole-genome shotgun sequencing, we generated the first ancient nuclear (n = 11) and mitochondrial (n = 18) genomes from Svalbard reindeer (up to 4000 BP) and integrated these data with a large collection of modern genome sequences (n = 90), to infer temporal changes. We show that hunting resulted in major genetic changes and restructuring in reindeer populations. Near-extirpation and 400 years of genetic drift have altered the allele frequencies of important genes contributing to diverse biological functions. Median heterozygosity was reduced by 23%, while the mitochondrial genetic diversity was reduced only to a limited extent, likely due to low pre-harvest diversity and a complex post-harvest recolonization process. Such genomic erosion and genetic isolation of populations due to past anthropogenic disturbance will likely play a major role in metapopulation dynamics (i.e., extirpation, recolonization) under further climate change. Our results from a high-arctic case study therefore emphasize the need to understand the long-term interplay of past, current, and future stressors in wildlife conservation.

Abstract The repeated evolution of phenotypes is ubiquitous in nature and offers some of the clearest evidence of the role of natural selection in evolution. The genomic basis of repeated phenotypic evolution is often complex and can arise from a combination of gene flow, shared ancestral polymorphism and de novo mutation. Here, we investigate the genomic basis of repeated ecomorph evolution in the adaptive radiation of the Hawaiian spiny-leg Tetragnatha . This radiation comprises four ecomorphs that are microhabitat-specialists, and differ in body pigmentation and size (Green, Large Brown, Maroon, and Small Brown). Using 76 newly generated low-coverage, whole-genome resequencing samples, coupled with population genomic and phylogenomic tools, we studied the evolutionary history of the radiation to understand the evolution of the spiny-leg lineage and the genetic underpinnings of ecomorph evolution. Congruent with previous works, we find that each ecomorph has evolved twice, with the exception of the Small Brown ecomorph, which has evolved three times. The evolution of the Maroon and the Small Brown ecomorphs likely involved ancestral hybridization events, whereas the Green and the Large Brown ecomorphs likely evolved because of either standing genetic variation or de novo mutation. Pairwise comparisons of ecomorphs based on the fixation index (F ST ) show that divergent genomic regions include genes with functions associated with pigmentation (melanization), learning, neuronal and synapse activity, and circadian rhythms. These results show that the repeated evolution of ecomorphs in the Hawaiian spiny-leg Tetragnatha is linked to multiple genomic regions and suggests a previously unknown role of learning and circadian rhythms in ecomorph.