Abstract Traumatic insemination is a mating behaviour during which the (sperm) donor uses a traumatic intromittent organ to inject an ejaculate through the epidermis of the (sperm) recipient, thereby frequently circumventing the female genitalia. Traumatic insemination occurs widely across animals, but the frequency of its evolution, the intermediate stages via which it originates, and the morphological changes that such shifts involve remain poorly understood. Based on observations in 145 species of the free-living flatworm genus Macrostomum , we identify at least nine independent evolutionary origins of traumatic insemination from reciprocal copulation, but no clear indication of reversals. These origins involve convergent shifts in multivariate morphospace of male and female reproductive traits, suggesting that traumatic insemination has a canalising effect on morphology. Signatures of male-female coevolution across the genus indicate that sexual selection and sexual conflict drive the evolution of traumatic insemination, because it allows donors to bypass postcopulatory control mechanisms of recipients.

Abstract Free-living flatworms of the genus Macrostomum are small and transparent animals, representing attractive study organisms for a broad range of topics in evolutionary, developmental, and molecular biology. The genus includes the model organism M. lignano for which extensive molecular resources are available, and recently there is a growing interest in extending work to additional species in the genus. These endeavours are currently hindered because, even though >200 Macrostomum species have been taxonomically described, molecular phylogenetic information and geographic sampling remain limited. We report on a global sampling campaign aimed at increasing taxon sampling and geographic representation of the genus. Specifically, we use extensive transcriptome and single-locus data to generate phylogenomic hypotheses including 145 species. Across different phylogenetic methods and alignments used, we identify several consistent clades, while their exact grouping is less clear, possibly due to a radiation early in Macrostomum evolution. Moreover, we uncover a large undescribed diversity, with 94 of the studied species likely being new to science, and we identify multiple novel morphological traits. Furthermore, we identify cryptic speciation in a taxonomically challenging assemblage of species, suggesting that the use of molecular markers is a prerequisite for future work, and we describe the distribution of possible synapomorphies and suggest taxonomic revisions based on our finding. Our large-scale phylogenomic dataset now provides a robust foundation for comparative analyses of morphological, behavioural and molecular evolution in this genus.

Abstract Why some animals can regenerate while many others cannot remains a fascinating question. Even amongst planarian flatworms, well-known for their ability to regenerate complete animals from small body fragments, species exist that have restricted regeneration abilities or are entirely regeneration incompetent. Towards the goal of probing the evolutionary dynamics of regeneration, we have assembled a diverse live collection of planarian species from around the world. The combined quantification of species-specific head regeneration abilities and comprehensive transcriptome-based phylogeny reconstructions reveals multiple independent transitions between robust whole-body regeneration and restricted regeneration in the freshwater species. Our demonstration that the RNAi -mediated inhibition of canonical Wnt signalling can nevertheless bypass all experimentally tractable head regeneration defects in the current collection indicates that the pathway may represent a hot spot in the evolution of planarian regeneration defects. Combined with our finding that Wnt signalling has multiple roles in the reproductive system of the model species S. mediterranea , this raises the possibility of a trade-off between egg-laying and asexual reproduction by fission/regeneration as a driver of regenerative trait evolution. Although initial quantitative comparisons of Wnt signalling levels, reproductive investment, and regenerative abilities across the collection confirm some of the model’s predictions, they also highlight the diversification of molecular mechanisms amongst the divergent planarian lineages. Overall, our study establishes a framework for the mechanistic evolution of regenerative abilities and planarians as model taxon for comparative regeneration research.

Abstract Sexual conflicts over the post-mating fate of received ejaculate can favour traits in one sex that are costly to the other. Reciprocally mating hermaphrodites face unique challenges as they mate simultaneously in both the male and female role, potentially leading to receipt of unwanted ejaculate. Reciprocal mating can then give rise to postcopulatory female resistance traits that allow manipulation of received ejaculate. A putative example is the suck behaviour, observed in the flatworm genus Macrostomum . It involves the sperm recipient placing its pharynx over its own female genital opening and appearing to suck, likely removing received ejaculate after mating. The genus also contains hypodermically-inseminating species that presumably exhibit unilateral mating and have not been observed to suck. Here, we examine the evolution of the suck behaviour in Macrostomum , aiming to document the mating behaviour in 64 species. First, we provide videographic evidence that ejaculate is indeed removed during the suck behaviour in a reciprocally mating species, Macrostomum hamatum . Next, we show evolutionary positive correlations between the presence, duration and frequency of reciprocal mating behaviour and the suck behaviour, providing clear evidence that the suck behaviour co-evolves with reciprocal mating behaviour. Finally, we show an association between reproductive behaviour and reproductive morphology, suggesting that reproductive morphology can be used for inferring the behavioural mating strategy of a species. Together our study demonstrates sexual antagonistic coevolution leading to the evolution of a postcopulatory behavioural trait that functions as a female counter-adaptation allowing individuals to gain control over received ejaculate in a hermaphroditic sexual system.

The planarian Schmidtea mediterranea is being studied as a model species for regeneration, but the assembly of planarian genomes remains challenging. Here, we report a high-quality haplotype-phased, chromosome-scale genome assembly of the sexual S2 strain of S. mediterranea and high-quality chromosome-scale assemblies of its three close relatives, S. polychroa, S. nova, and S. lugubris. Using hybrid gene annotations and optimized ATAC-seq and ChIP-seq protocols for regulatory element annotation, we provide valuable genome resources for the planarian research community and a first comparative perspective on planarian genome evolution. Our analyses reveal substantial divergence in protein-coding sequences and regulatory regions but considerable conservation within promoter and enhancer annotations. We also find frequent retrotransposon-associated chromosomal inversions and interchromosomal translocations within the genus Schmidtea and, remarkably, independent and nearly complete losses of ancestral metazoan synteny in Schmidtea and two other flatworm groups. Overall, our results suggest that platyhelminth genomes can evolve without syntenic constraints.

The planarian Schmidtea mediterranea can regenerate its entire body from small tissue fragments and is studied as whole-body regeneration model species. While well-annotated genome resources are critical for understanding regeneration, the assembly and functional analysis of planarian genomes has proven challenging due to extreme compositional biases (70% A/T), high repeat contents and limited utility of routine laboratory protocols owing to their divergent biochemistry. Only few and often fragmented genome assemblies are currently available, and open challenges include the provision of well-annotated chromosome-scale reference assemblies of the model species and other planarians for a comparative genome evolution perspective. Here we report a haplotype-phased, chromosome-scale genome assembly and high-quality gene annotations of the sexual strain of S. mediterranea. We also provide putative regulatory region annotations via optimized ATAC-seq and ChIP-seq protocols. To additionally leverage sequence conservation for regulatory element annotations, we generated annotated chromosome-scale genome assemblies and chromatin accessibility data for the three closest relatives of S. mediterranea: S. polychroa, S. nova, and S. lugubris. Although we find broad sequence divergence between the genomes, including in open chromatin regions, ChIP-mark bearing S. mediterranea regulatory elements displayed significant sequence conservation. The resulting high-confidence set of evolutionary conserved enhancers and promoters provides a valuable resource for the analysis of gene regulatory circuits and their evolution within the taxon. In addition, our four chromosome-scale genome assemblies provide a first comparative perspective on planarian genome evolution. Our analyses reveal frequent retrotransposon-associated chromosomal inversions and inter-chromosomal translocations that lead to a degradation of synteny across the genus. Interestingly, we further find independent and near-complete losses of the ancestral metazoan synteny across Schmidtea and two other flatworm groups, indicating that platyhelminth genomes largely evolve without syntenic constraints. We provide valuable genome resources for the planarian research community and set a foundation for comparative genomics of planarians. We find that the rapid structural evolution of planarian genomes contrasts with the conservation of regulatory elements. Therefore, the unusual biology of flatworms appears paired with equally unique patterns of genome evolution, in which the position of genes in the genome may not matter.

Abstract Sexual selection drives the evolution of many striking behaviours and morphologies, and should leave signatures of selection at loci underlying these phenotypes. However, while loci thought to be under sexual selection often evolve rapidly, few studies have contrasted rates of molecular sequence evolution at such loci across lineages with different sexual selection contexts. Furthermore, work has focused on separate sexed animals, neglecting alternative sexual systems. We investigate rates of molecular sequence evolution in hermaphroditic flatworms of the genus Macrostomum . Specifically, we compare species that exhibit contrasting sperm morphologies, strongly associated with multiple convergent shifts in the mating strategy, reflecting different sexual selection contexts. Species donating and receiving sperm in every mating have sperm with bristles, likely to prevent sperm removal. Meanwhile, species that hypodermically inject sperm lack bristles, potentially as an adaptation to the environment experienced by hypodermic sperm. Combining functional annotations from the model, M. lignano , with transcriptomes from 97 congeners, we find genus-wide faster sequence evolution in reproduction-related versus ubiquitously-expressed genes, consistent with stronger sexual selection on the former. Additionally, species with hypodermic sperm morphologies had elevated molecular sequence evolution, regardless of a gene’s functional annotation. These genome-wide patterns suggest reduced selection efficiency following shifts to hypodermic mating, possibly due to higher selfing rates in these species. Moreover, we find little evidence for convergent amino acid changes across species. Our work not only shows that reproduction-related genes evolve rapidly also in hermaphroditic animals, but also that well-replicated contrasts of different sexual selection contexts can reveal underappreciated genome-wide effects.