“Speciation” was largely “speculation” two decades ago, at least with respect to a detailed and comprehensive mechanistic understanding of the origin of new species. Despite elegant classical work examining the genetic basis of interspecific differences and reproductive isolation and complementary studies of the ecological factors that can contribute to species divergence, speciation researchers lacked the tools to dissect the specific forces, traits, and genes involved. Thanks to the recent advances in molecular biology and genomic sequencing, detailed study of speciation is becoming feasible in many animal and plant groups. In fact, a dozen of “speciation genes” responsible for reproductive isolation between sibling species have been identified at the molecular level. Further, genetic changes leading to morphological differentiation among related species have been elucidated, supported by phylogenetic analyses at high resolution. We invited investigators to contribute both original research and review articles that would stimulate the continuing efforts to understand speciation and species differentiation from all perspectives, not only the genetic mechanisms but also the ecological and evolutionary causes. Among the seven original articles in this special issue, four were Drosophila studies. Two of them focus on the mechanisms of reproductive isolation. A. Takahashi et al. in “Cuticular hydrocarbon content that affects male mate preference of Drosophila melanogaster from west Africa” identified a polymorphic chemical cue involved in mate recognition between sibling species. Y. H. Ahmed-Braimah and B. F. McAllister in “Rapid evolution of assortative fertilization between recently allopatric species of Drosophila” described an example of postmating/prezygotic isolation, where heterospecific fertilization after mating is compromised due to disruptions in sperm storage and motility. Often, reproductive isolation evolves more rapidly than any morphological traits so that the only way to distinguish recently diverged species is through mating experiments. Y.-F. Li et al. in “DNA barcoding and molecular phylogeny of Drosophila lini and its sibling species” showed that molecular variation can also be widely shared between sibling species despite strong reproductive isolation between them. To understand why reproductive isolation can evolve so rapidly compared to other traits, L. Muller et al. in “Inter- and intraspecific variation in Drosophila genes with sex-biased expression” examined the evolution of gene expression and protein sequences and found that genes with male-biased expression tend to diverge rapidly compared to the rest of the genome. Three other original articles deal with reproductive isolation in vertebrates, specifically fish or reptiles. D. Bierbach et al. in “Divergent evolution of male aggressive behavior: another reproductive isolation barrier in extremophile poeciliid fishes?” reported a rare case study of behavioral isolation via local adaptation to extreme environmental conditions (darkness in caves and toxic hydrogen sulphide). G. M. Kozak et al. in “Postzygotic isolation evolves before prezygotic isolation between fresh and saltwater populations of the rainwater killifish, Lucania parva” discovered a case of incipient reproductive isolation caused by salinity adaption, in which they found no evidence of prezygotic isolation but detected reduced hybrid survival. M. Gabirot et al. in “Differences in chemical sexual signals may promote reproductive isolation and cryptic speciation between Iberian wall lizard populations” reported another case of cryptic speciation caused by pheromonal differentiation, in which they demonstrated that the Iberian wall lizard forms part of a “species complex” with different morphology and different proportions of chemical components in femoral gland secretions of males. This special issue also includes four review articles. A. Ivanovic et al. in “A phenotypic point of view of the adaptive radiation of crested newts (Triturus cristatus superspecies, Caudata, Amphibia)” reviewed the pattern of adaptive radiation in the European crested newt, in which they suggested that phenotypic diversification was caused by heterochronic changes linked to variation in ecological preferences. J. P. Masly in “170 years of “lock-and-key”: genital morphology and reproductive isolation” reviewed the facts and speculations about the role of genital morphology in maintaining species barriers and examined the prospects for identifying the genetic changes responsible for the evolution of genital morphology. D. M. Castillo and L. C. Moyle in “Evolutionary implications of mechanistic models of TE-mediated hybrid incompatibility” reviewed mechanistic models of host-mediated TE suppression in light of the potential role of TE derepression in postzygotic isolation and identified data that would be necessary to provide more satisfactory tests of this hypothesized isolation mechanism. K. Sawamura in “Chromatin evolution and molecular drive in speciation” proposed a general mechanism of hybrid sterility and inviability caused by coevolution between repetitive satellite DNAs and chromatin proteins. Altogether, this is a diverse array of papers that ranges from a classical model of speciation research—Drosophila—to plants and emerging vertebrate system, and from molecular genetic mechanisms through sensory biology to environmentally mediated adaptive divergence. As such, this special issue is representative of the diversity of studies and systems that continue to contribute to our understanding of speciation and the diversity of mechanisms that surely underlie this fundamental evolutionary process. We can only hope that the field, and our understanding, continues to grow so diversely and creatively in the future.

Speciation events often occur in rapid bursts of diversification, but the ecological and genetic factors that promote these radiations are still much debated. Using whole transcriptomes from all 13 species in the ecologically and reproductively diverse wild tomato clade (Solanum sect. Lycopersicon), we infer the species phylogeny and patterns of genetic diversity in this group. Despite widespread phylogenetic discordance due to the sorting of ancestral variation, we date the origin of this radiation to approximately 2.5 million years ago and find evidence for at least three sources of adaptive genetic variation that fuel diversification. First, we detect introgression both historically between early-branching lineages and recently between individual populations, at specific loci whose functions indicate likely adaptive benefits. Second, we find evidence of lineage-specific de novo evolution for many genes, including loci involved in the production of red fruit color. Finally, using a “PhyloGWAS” approach, we detect environment-specific sorting of ancestral variation among populations that come from different species but share common environmental conditions. Estimated across the whole clade, small but substantial and approximately equal fractions of the euchromatic portion of the genome are inferred to contribute to each of these three sources of adaptive genetic variation. These results indicate that multiple genetic sources can promote rapid diversification and speciation in response to new ecological opportunity, in agreement with our emerging phylogenomic understanding of the complexity of both ancient and recent species radiations.

Asymmetric postmating isolation, where reciprocal interspecific crosses produce different levels of fertilization success or hybrid sterility/inviability, is very common. Darwin emphasized its pervasiveness in plants, but it occurs in all taxa assayed. This asymmetry often results from Dobzhansky-Muller incompatibilities (DMIs) involving uniparentally inherited genetic factors (e.g., gametophyte-sporophyte interactions in plants or cytoplasmic-nuclear interactions). Typically, unidirectional (U) DMIs act simultaneously with bidirectional (B) DMIs between autosomal loci that affect reciprocal crosses equally. We model both classes of two-locus DMIs to make quantitative and qualitative predictions concerning patterns of isolation asymmetry in parental species crosses and in the hybrid F(1) generation. First, we find conditions that produce expected differences. Second, we present a stochastic analysis of DMI accumulation to predict probable levels of asymmetry as divergence time increases. We find that systematic interspecific differences in relative rates of evolution for autosomal vs. nonautosomal loci can lead to different expected F(1) fitnesses from reciprocal crosses, but asymmetries are more simply explained by stochastic differences in the accumulation of U DMIs. The magnitude of asymmetry depends primarily on the cumulative effects of U vs. B DMIs (which depend on heterozygous effects of DMIs), the average number of DMIs required to produce complete reproductive isolation (more asymmetry occurs when fewer DMIs are required), and the shape of the function describing how fitness declines as DMIs accumulate. Comparing our predictions to data from diverse taxa indicates that unidirectional DMIs, specifically involving sex chromosomes, cytoplasmic elements, and maternal effects, are likely to play an important role in postmating isolation.

Understanding the role of geography and ecology in species divergence is central to the study of evolutionary diversification. We used climatic, geographic, and biological data from nine wild Andean tomato species to describe each species' ecological niche and to evaluate the likely ecological and geographical modes of speciation in this clade. Using data from >1000 wild accessions and publicly available data derived from geographic information systems for various environmental variables, we found most species pairs were significantly differentiated for one or more environmental variables. By comparing species' predicted niches generated by species distribution modeling (SDM), we found significant niche differentiation among three of four sister-species pairs, suggesting ecological divergence is consistently associated with recent divergence. In comparison, based on age-range correlation (ARC) analysis, there was no evidence for a predominant geographical (allopatric vs. sympatric) context for speciation in this group. Overall, our results suggest an important role for environmentally mediated differentiation, rather than simply geographical isolation, in species divergence.

Over 100 years of studies in Drosophila melanogaster and related species in the genus Drosophila have facilitated key discoveries in genetics, genomics, and evolution. While high-quality genome assemblies exist for several species in this group, they only encompass a small fraction of the genus. Recent advances in long read sequencing allow high quality genome assemblies for tens or even hundreds of species to be generated. Here, we utilize Oxford Nanopore sequencing to build an open community resource of high-quality assemblies for 101 lines of 95 drosophilid species encompassing 14 species groups and 35 sub-groups with an average contig N50 of 10.5 Mb and greater than 97% BUSCO completeness in 97/101 assemblies. These assemblies, along with detailed wet lab protocol and assembly pipelines, are released as a public resource and will serve as a starting point for addressing broad questions of genetics, ecology, and evolution within this key group.

ABSTRACT Phylogenetic analyses of trait evolution can provide insight into the evolutionary processes that initiate and drive phenotypic diversification. However, recent phylogenomic studies have revealed extensive gene tree-species tree discordance, which can lead to incorrect inferences of trait evolution if only a single species tree is used for analysis. This phenomenon—dubbed “hemiplasy”—is particularly important to consider during analyses of character evolution in rapidly radiating groups, where discordance is widespread. Here we generate whole-transcriptome data for a phylogenetic analysis of 14 species in the plant genus Jaltomata (the sister clade to Solanum ), which has experienced rapid, recent trait evolution, including in fruit and nectar color, and flower size and shape. Consistent with other radiations, we find evidence for rampant gene tree discordance due to incomplete lineage sorting (ILS) and several introgression events among the well-supported subclades. Since both ILS and introgression increase the probability of hemiplasy, we perform several analyses that take discordance into account while identifying genes that might contribute to phenotypic evolution. Despite discordance, the history of fruit color evolution in Jaltomata can be inferred with high confidence, and we find evidence of de novo adaptive evolution at individual genes associated with fruit color variation. In contrast, hemiplasy appears to strongly affect inferences about floral character transitions in Jaltomata , and we identify candidate loci that could arise either from multiple lineage-specific substitutions or standing ancestral polymorphisms. Our analysis provides a generalizable example of how to manage discordance when identifying loci associated with trait evolution in a radiating lineage.

Abstract The introduction of non-native species into new habitats is one of the foremost risks to global biodiversity. Here, we evaluate a recent invasion of wild tomato ( Solanum pimpinellifolium ) onto the Galápagos islands from a population genomic perspective, using a large panel of novel collections from the archipelago as well as historical accessions from mainland Ecuador and Peru. We infer a recent invasion of S. pimpinellifolium on the islands, largely the result of a single event from central Ecuador which, despite its recency, has rapidly spread onto several islands in the Galápagos. By reconstructing patterns of local ancestry throughout the genomes of invasive plants, we uncover evidence for recent hybridization and introgression between S. pimpinellifolium and the closely related endemic species Solanum cheesmaniae . Two large introgressed regions overlap with known fruit color loci involved in carotenoid biosynthesis. Instead of red fruits, admixed individuals with endemic haplotypes at these loci have orange fruit colors that are typically characteristic of the endemic species. We therefore infer that introgression explains the observed trait convergence. Moreover, we infer roles for two independent loci in driving this pattern, and a likely history of selection favoring the repeated phenotypic transition from red to orange fruits. Together, our data reconstruct a complex history of invasion, expansion, and gene flow among wild tomatoes on the Galápagos islands. These findings provide critical data on the evolutionary importance of hybridization during colonization and its role in influencing conservation outcomes. Significance Statement The isolation and unique diversity of the Galápagos Islands provide numerous natural experiments that have enriched our understanding of evolutionary biology. Here we use population genomic sequencing to reconstruct the timing, path, and consequences of a biological invasion by wild tomato onto the Galápagos. We infer that invasive populations originated from a recent human-mediated migration event from central Ecuador. Our data also indicate that invasive populations are hybridizing with endemic populations, and that this has led to some invasive individuals adopting both fruit color genes and the fruit color characteristic of the endemic island species. Our results demonstrate how hybridization can shape patterns of trait evolution over very short time scales, and characterize genetic factors underlying invasive success.

Despite the increasing abundance of whole transcriptome data, few methods are available to analyze global gene expression across phylogenies. Here, we present a new software package (CAGEE) for inferring patterns of increases and decreases in gene expression across a phylogenetic tree, as well as the rate at which these changes occur. In contrast to previous methods that treat each gene independently, CAGEE can calculate genome-wide rates of gene expression, along with ancestral states for each gene. The statistical approach developed here makes it possible to infer lineage-specific shifts in rates of evolution across the genome, in addition to possible differences in rates among multiple tissues sampled from the same species. We demonstrate the accuracy and robustness of our method on simulated data, and apply it to a dataset of ovule gene expression collected from multiple self-compatible and self-incompatible species in the genus Solanum to test hypotheses about the evolutionary forces acting during mating system shifts. These comparisons allow us to highlight the power of CAGEE, demonstrating its utility for use in any empirical system and for the analysis of most morphological traits. Our software is available at https://github.com/hahnlab/CAGEE/.

Abstract Mismatches between parental genomes in selfish elements are frequently hypothesized to underlie hybrid dysfunction and drive speciation. However, because the genetic basis of most hybrid incompatibilities is unknown, testing the contribution of selfish elements to reproductive isolation is difficult. Here we evaluated the role of transposable elements (TEs) in hybrid incompatibilities between Drosophila virilis and D. lummei by experimentally comparing hybrid incompatibility in a cross where active TEs are present in D. virilis (TE+) and absent in D. lummei , to a cross where these TEs are absent from both D. virilis (TE-) and D. lummei genotypes. Using genomic data, we confirmed copy number differences in TEs between the D. virilis (TE+) strain and both the D. virilis (TE-) strain and D. lummei . We observed F1 postzygotic reproductive isolation exclusively in the interspecific cross involving TE+ D. virilis but not in crosses involving TE- D. virilis . This mirrors intraspecies dysgenesis where atrophied testes only occur when TE+ D. virilis is the paternal parent. A series of backcross experiments, that accounted for alternative models of hybrid incompatibility, showed that both F1 hybrid incompatibility and intrastrain dysgenesis are consistent with the action of TEs rather than genic interactions. Thus, our data suggest that this TE mechanism manifests as two different incompatibility phenotypes. A further Y-autosome interaction contributes to additional, sex-specific, inviability in one direction of this cross combination. These experiments demonstrate that TEs that cause intraspecies dysgenesis can increase reproductive isolation between closely related lineages, thereby adding to the processes that consolidate speciation.

Abstract Because sensory signals often evolve rapidly, they could be instrumental in the emergence of reproductive isolation between species. However, pinpointing their specific contribution to isolating barriers, and the mechanisms underlying their divergence, remains challenging. Here we demonstrate sexual isolation due to divergence in chemical signals between two populations of Drosophila americana (SC and NE) and one population of D. novamexicana , and dissect its underlying phenotypic and genetic mechanisms. Mating trials revealed strong sexual isolation between Drosophila novamexicana males and SC Drosophila americana females, as well as more moderate bi-directional isolation between D. americana populations. Mating behavior data indicates SC D. americana males have the highest courtship efficiency and, unlike males of the other populations, are accepted by females of all species. Quantification of cuticular hydrocarbon (CHC) profiles—chemosensory signals that are used for species recognition and mate finding in Drosophila —shows that the SC D. americana population differs from the other populations primarily on the basis of compound carbon chain-length. Moreover, manipulation of male CHC composition via heterospecific perfuming—specifically perfuming D. novamexicana males with SC D. americana males—abolishes their sexual isolation from these D. americana females. Of a set of candidates, a single gene—elongase CG17821—had patterns of gene expression consistent with a role in CHC differences between species. Sequence comparisons indicate D. novamexicana and our Nebraska (NE) D. americana population share a derived CG17821 truncation mutation that could also contribute to their shared “short” CHC phenotype. Together, these data suggest an evolutionary model for the origin and spread of this allele and its consequences for CHC divergence and sexual isolation in this group.