Abstract RNA-sequencing is a popular next-generation sequencing technique for assaying genome-wide gene expression profiles. Nonetheless, it is susceptible to biases that are introduced by sample handling prior gene expression measurements. Two of the most common methods for preserving samples in both field-based and laboratory conditions are submersion in RNAlater and flash freezing in liquid nitrogen. Flash freezing in liquid nitrogen can be impractical, particularly for field collections. RNAlater is a solution for stabilizing tissue for longer-term storage as it rapidly permeates tissue to protect cellular RNA. In this study, we assessed genome-wide expression patterns in 30 day old fry collected from the same brood at the same time point that were flash-frozen in liquid nitrogen and stored at −80°C or submerged and stored in RNAlater at room temperature, simulating conditions of fieldwork. We show that sample storage is a significant factor influencing observed differential gene expression. In particular, genes with elevated GC content exhibit higher observed expression levels in liquid nitrogen flash-freezing relative to RNAlater-storage. Further, genes with higher expression in RNAlater relative to liquid nitrogen experience disproportionate enrichment for functional categories, many of which are involved in RNA processing. This suggests that RNAlater may elicit a physiological response that has the potential to bias biological interpretations of expression studies. The biases introduced to observed gene expression arising from mimicking many field-based studies are substantial and should not be ignored.

Summary Compared to selection on new mutations and standing genetic variation, the role of gene flow in generating adaptive genetic variation has been subject to much debate. Theory predicts that gene flow constrains adaptive evolution via natural selection by homogenizing allele frequencies among populations and introducing migrant alleles that may be locally maladaptive 1 . However, recent work has revealed that populations can diverge even when high levels of gene flow are present 2–4 and that gene flow may play an underappreciated role in facilitating local adaptation by increasing the amount of genetic variation present for selection to act upon 5–8 . Here, we investigate how genetic variation introduced by gene flow contributes to adaptive evolution of complex traits using an emerging eco-evolutionary model system, the Mexican tetra ( Astyanax mexicanus ). The ancestral surface form of the Mexican tetra has repeatedly invaded and adapted to cave environments. The Chica cave is unique in that it contains several pool microenvironments inhabited by putative hybrids between surface and cave populations 9 , providing an opportunity to investigate the dynamics of complex trait evolution and gene flow on a local scale. Here we conduct high-resolution genomic mapping and analysis of eye morphology and pigmentation in fish from multiple pools within Chica cave. We demonstrate that hybridization between cave and surface populations contributes to highly localized variation in behavioral and morphological traits. Analysis of sleep and locomotor behaviors between individual pools within this cave revealed reduced sleep associated with an increase in ancestry derived from cave populations, suggesting pool-specific ecological differences may drive the highly-localized evolution of sleep and locomotor behaviors. Lastly, our analyses uncovered a compelling example of convergent evolution in a core circadian clock gene in multiple independent cavefish lineages and burrowing mammals, indicating a shared genetic mechanism underlying circadian disruption in subterranean vertebrates. Together, our results provide insight into the evolutionary mechanisms that promote adaptive genetic variation and the genetic basis of complex behavioral phenotypes involved in local adaptation.

Abstract Sensory systems display remarkable plasticity and are under strong evolutionary selection. The Mexican cavefish, Astyanax mexicanus , consists of eyed river-dwelling surface populations, and multiple independent cave populations which have converged on eye loss, providing the opportunity to examine the evolution of sensory circuits in response to environmental perturbation. Functional analysis across multiple transgenic populations expressing GCaMP6s showed that functional connectivity of the optic tectum largely did not differ between populations, except for the selective loss of negatively correlated activity within the cavefish tectum, suggesting positively correlated neural activity is resistant to an evolved loss of input from the retina. Further, analysis of surface-cave hybrid fish reveals that changes in the tectum are genetically distinct from those encoding eye-loss. Together, these findings uncover the independent evolution of multiple components of the visual system and establish the use of functional imaging in A. mexicanus to study neural circuit evolution.

Astyanax mexicanus is a well-established and widely used fish model system for evolutionary and developmental biology research. These fish exist as surface forms that inhabit rivers and 30 different populations of cavefish. The establishment of A. mexicanus as an emergent model organism for understanding the evolutionary basis of development and behavior has been accelerated by an increasing availability of genomic approaches to identify genotype-phenotype associations. Despite important progress in the deployment of new technologies, deep mechanistic insights into A. mexicanus evolution and development have been limited by a lack of transgenic lines commonly used in genetic model systems. Here, we expand the toolkit of transgenesis by characterizing two novel stable transgenic lines that were generated using the highly efficient Tol2 system, commonly used to generate transgenic zebrafish. A stable transgenic line consisting of the zebrafish ubiquitin promoter fused to eGFP expressed eGFP ubiquitously throughout development in a surface population of Astyanax. To define specific cell-types, we injected fish with a Cntnap2-mCherry construct that labels lateral line mechanosensory neurons in zebrafish. Strikingly, both constructs appear to label the predicted cell types, suggesting many genetic tools and defined promoter regions in zebrafish are directly transferrable to cavefish. The lines provide proof-of-principle for the application of Tol2 transgenic technology in A. mexicanus. Expansion on these initial transgenic lines will provide a platform to address broadly important problems in the quest to bridge the genotype to phenotype gap.

Sleep, a universal behavior, is critical for diverse aspects of brain function. Chronic sleep disturbance is associated with numerous health consequences, including neurodegenerative disease and cognitive decline. Neurite damage due to apoptosis, trauma, or genetic factors is a common feature of aging, and clearance of damaged neurons is essential for maintenance of brain function. In the central nervous system, damaged neurites are cleared by Wallerian degeneration, in which activated microglia and macrophages engulf damaged neurons. The fruit fly Drosophila melanogaster provides a powerful model for investigating the relationship between sleep and Wallerian degeneration. Several lines of evidence suggest that glia influence sleep duration, sleep-mediated neuronal homeostasis, and clearance of toxic substances during sleep, raising the possibility that glial engulfment of damaged axons is regulated by sleep. To explore this possibility, we axotomized olfactory receptor neurons and measured the effects of sleep loss or gain on the clearance of damaged neurites. Mechanical sleep deprivation impaired the clearance of damaged neurites, whereas the sleep-promoting drug gaboxadol accelerated clearance. In sleep-deprived animals, multiple markers of glial activation were delayed, including activation of the JAK/STAT pathway, upregulation of the cell corpse engulfment receptor Draper, and innervation of the antennal lobe by glial membranes. These markers were all enhanced when sleep was induced in gaboxadol-treated flies. Taken together, these findings reveal a critical role for sleep in regulation glial activation and engulfment following axotomy, providing a platform for further investigations of the molecular mechanisms underlying sleep-dependent modulation of glial function and neurite clearance.

A shift in environmental conditions impacts the evolution of complex developmental and behavioral traits. The Mexican cavefish, Astyanax mexicanus, is a powerful model for examining the evolution of development, physiology, and behavior because multiple cavefish populations can be compared to an extant and ancestral-like surface population of the same species. Many behaviors have diverged in cave populations of A. mexicanus, and previous studies have shown that cavefish have a loss of sleep, reduced stress, an absence of social behaviors, and hyperphagia. Despite these findings, surprisingly little is known about the changes in neuroanatomy that underlie these behavioral phenotypes. Here, we use serial sectioning to generate a brain atlas of surface fish and three independent cavefish populations. Volumetric reconstruction of serial-sectioned brains confirms convergent evolution on reduced optic tectum volume in all cavefish populations tested. In addition, we quantified volumes of specific neuroanatomical loci within several brain regions, which have previously been implicated in behavioral regulation, including the hypothalamus, thalamus, and habenula. These analyses reveal an expansion of the hypothalamus across all three cavefish populations relative to surface fish, as well as subnuclei-specific differences within the thalamus and habenulae. Taken together, these analyses support the notion that changes in environmental conditions are accompanied by neuroanatomical changes in brain structures associated with behavior. This atlas provides a resource for comparative neuroanatomy of additional brain regions and the opportunity to associate brain anatomy with evolved changes in behavior.

Environmental perturbation can drive the evolution of behavior and associated brain structure and function. Generation of high-resolution whole-brain atlases have provided insights into neuroanatomy and neural circuit connectivity associated with behaviors in many model systems, but these approaches have yet to be applied to models of brain evolution. The Mexican tetra, A. mexicanus, comprises river-dwelling surface fish and multiple independently evolved populations of blind cavefish, providing a unique opportunity to identify evolved neurological differences associated with divergent behaviors including sleep loss and alterations in foraging behavior. We employed intact brain imaging combined with image registration to generate neuroanatomical atlases of surface fish and three different cave populations of A. mexicanus. Analyses of neuroanatomical brain regions and neural circuits associated with behavioral regulation identified convergence on hypothalamic expansion, as well as changes in transmitter systems including elevated numbers of catecholamine and hypocretin/orexin neurons in cave populations. To define changes in neural function associated with the evolution of behavior, we quantified changes in neural activity associated with sleep and feeding. Together, these analyses identified broad alterations in brain structure and function associated with differences in foraging behavior and sleep loss across independently evolved populations. These atlases represent the first comparative brain-wide study of intraspecies variation and provide a resource for studying the neural basis underlying behavioral evolution.

The duration of sleep varies dramatically between species, yet little is known about genetic bases or evolutionary factors driving this variation in behavior. The Mexican cavefish, Astyanax mexicanus, exists as surface populations that inhabit rivers, and multiple independently derived cave populations with convergent evolution on sleep loss. The number of Hypocretin/Orexin (HCRT)-positive hypothalamic neurons is increased significantly in cavefish, and HCRT is upregulated at both the transcript and protein levels. Pharmacological or genetic inhibition of HCRT signaling increases sleep duration in cavefish without affecting sleep in surface fish, suggesting enhanced HCRT signaling underlies sleep loss in cavefish. Ablation of the lateral line or starvation, manipulations that selectively promote sleep in cavefish, inhibit hcrt expression in cavefish while having little effect in surface fish. These findings provide the first evidence of genetic and neuronal changes that contribute to the evolution of sleep loss, and support a conserved role for HCRT in sleep regulation.

Circadian rhythms are nearly ubiquitous throughout nature, suggesting they are critical for survival in diverse environments. Organisms inhabiting environments with arrhythmic days, such as caves, offer a unique opportunity to study the evolution of circadian rhythms in response to changing ecological pressures. Here we demonstrate that the cave environment has led to the repeated disruption of the biological clock across multiple populations of Mexican cavefish, with the circadian transcriptome showing widespread reductions in rhythmicity and changes to the timing of the activation/repression of genes in the core pacemaker. Then, we investigate the function of two genes with decreased rhythmic expression in cavefish. Mutants of these genes phenocopy reductions in sleep seen in multiple cave populations, suggesting a link between circadian dysregulation and sleep reduction. Altogether, our results reveal that evolution in an arrhythmic environment has resulted in dysregulation to the biological clock across multiple populations by diverse molecular mechanisms.

Animals respond to sleep loss with compensatory rebound sleep, and this is thought to be critical for the maintenance of physiological homeostasis. Sleep duration varies dramatically across animal species, but it is not known whether evolutionary differences in sleep duration are associated with differences in sleep homeostasis. The Mexican cavefish, Astyanax mexicanus, has emerged as a powerful model for studying the evolution of sleep. While eyed surface populations of A. mexicanus sleep approximately eight hours each day, multiple blind cavefish populations have converged on sleep patterns that total as little as two hours each day, providing the opportunity to examine whether the evolution of sleep loss is accompanied by changes in sleep homeostasis. Here, we examine the behavioral and molecular response to sleep deprivation across four independent populations of A. mexicanus. Our behavioral analysis indicates that surface fish and all three cavefish populations display robust recovery sleep during the day following nighttime sleep deprivation, suggesting sleep homeostasis remains intact in cavefish. We profiled transcriptome-wide changes associated with sleep deprivation in surface fish and cavefish. While the total number of differentially expressed genes was not greater for the surface population, the surface population exhibited the highest number of uniquely differentially expressed genes than any other population. Strikingly, a majority of the differentially expressed genes are unique to individual cave populations, suggesting unique expression responses are exhibited across independently evolved cavefish populations. Together, these findings suggest sleep homeostasis is intact in cavefish despite a dramatic reduction in overall sleep duration.