Predicting how biodiversity will respond to increased temperatures caused by climate change is vital. However, our understanding of the traits that determine species’ response to thermal stress remains incomplete. Laboratory measurements of lethal temperatures have successfully been used to predict global species distributions and the vulnerability of species to future climate change. However, although it has long been known that fertility is sensitive to heat stress, temperatures that cause sterility have not been incorporated into predictions about how climate change will affect biodiversity. Here we show that male sterility temperatures predict the global distributions of 43 species of Drosophila substantially better than their lethal temperatures. This strongly suggests that thermal limits to reproduction can underpin how temperature affects species’ distributions. High temperatures impair male fertility across a broad range of animals and plants, so many organisms may be more vulnerable to high temperatures than currently expected.

ABSTRACT Identifying loci associated with a phenotype is a critical step in many evolutionary studies. Most methods require large sample sizes or breeding designs that can be prohibitively difficult. Here we apply a rarely used approach to identify SNP loci associated with a complex phenotype. We mate siblings from isofemale lines isolate genotypes from three wild populations. After phenotyping we perform whole genome sequencing of isofemale lines from the extremes of the phenotypic distribution of each population and identify SNPs that are consistently fixed for alternative alleles across line pairs. The focal phenotype is female remating rate in the fly Drosophila pseudoobscura, defined as the willingness of a female to mate with a second male after her first mating. This is an integral part of mating system evolution, sexual selection and sexual conflict, and is a quantitative polygenic trait. About 200 SNPs are consistently fixed for alternate alleles in the three pairs of isofemale lines. We use different simulation approaches to explore how many SNPs would be expected to be fixed. We find the surprising result that we uncover fewer observed fixed SNPs than are expected by either simulation approach. We also complete functional analyses of these SNPs. Many lie near genes or regulatory regions known to be involved in Drosophila courtship and mating behaviours, and some have previously been associated with re-mating rates in Genome-Wide Association Studies. Given the small sample size, these results should be treated with caution. Nevertheless, this study suggests that even from a relatively small number of isofemale lines established from wild populations, it is possible to identify candidate loci potentially associated with a complex quantitative trait. However, further work is required to understand modelling the expected distribution of differences.

Meiotically driving sex chromosomes manipulate gametogenesis to increase their transmission at a cost to the rest of the genome. The intragenomic conflicts they produce have major impacts on the ecology and evolution of their host species. However their ecological dynamics remain poorly understood. Simple population genetic models predict meiotic drivers will rapidly reach fixation in a population and spread across a landscape. In contrast, natural populations commonly show spatial variation in the frequency of drivers, with drive present in clines or mosaics across species ranges. For example, Drosophila subobscura harbours a Sex Ratio distorting drive chromosome (SRs) at 15-25% frequency in North Africa, present at less than 2% frequency in adjacent Southern Spain and absent in other European populations. Here, we investigate the forces preventing the spread of the driver northward. We show that SRs has remained at a constant frequency in North Africa, and failed to spread in Spain. We find strong evidence in favour of our first hypothesis, genetic incompatibility between SRs and Spanish autosomal background. When we cross SRs from North Africa onto Spanish genetic backgrounds we observe strong SRs specific incompatibilities in hybrids. The incompatibilities increase in severity in F2 male hybrids, leading to almost complete infertility. We find no evidence supporting a second hypothesis, that there is resistance to drive in Spanish populations. We conclude that the source of the stepped frequency variation is genetic incompatibility between the SRs chromosome and the genetic backgrounds of the adjacent population, preventing SRs spreading northward. The low frequency of SRs in South Spain is consistent with recurrent gene flow across the Strait of Gibraltar combined with selection against the SRs element through genetic incompatibility. This demonstrates that incompatibilities between drive chromosomes and naive populations can prevent the spread of drive between populations, at a continental scale.

Abstract Selfish genetic elements (SGEs), specifically X-chromosome meiotic drive (XCMD), create huge conflicts within a host’s genome and can have profound effects on fertility. Suppressors are a common evolutionary response to XCMD to negate its costs. However, whether suppressors themselves can cause negative non-target effects remains understudied. Here, we examine whether the intragenomic conflicts created by XCMD and its suppressor affects gonad morphology in Drosophila subobscura . We found significant differences in testes, seminal vesicle, and accessory gland size depending on whether a male carried a non-driving X chromosome, an XCMD, and if the XCMD was suppressed. We also found the first evidence of extreme whole-organ damage to testes that is specifically associated with a suppressor of XCMD. Unlike other studies, our evidence suggests that XCMD in D. subobscura inflicts extreme damage on male gonads. This damage is most severe if both XCMD and its suppressor are both present. While costs of suppression have importance in theoretical models, they have largely been ignored in empirical XCMD systems. Overall, this study highlights that genetic conflict, created by SGEs and their suppressors, is a potent evolutionary force that can have major impacts on gonad development and gametogenesis.

Abstract Recently, it has been demonstrated that heat-induced male sterility is likely to shape population persistence as climate change progresses. However, an under-explored possibility is that females may be able to successfully store and preserve sperm at temperatures that sterilise males, which could ameliorate the impact of male infertility on populations. Here, we test whether females from two fruit fly species can protect stored sperm from a high temperature stress. We find that sperm carried by female Drosophila virilis are almost completely sterilised by high temperatures, whereas sperm carried by female Zaprionus indianus show only slightly reduced fertility. Heat-shocked D. virilis females can recover fertility when allowed to remate, suggesting that the delivered heat-shock is destroying stored sperm and not directly damaging females in this species. The temperatures required to reduce fertility of mated females are substantially lower than the temperatures required to destroy mature sperm in males, suggesting that females are worse than males at protecting mature sperm. This suggests that female sperm storage is unlikely to ameliorate the impacts of high temperature fertility losses in males, and instead exacerbates fertility costs of high temperatures, representing an important determinant of population persistence during climate change.