Abstract Invasive species pose a major threat to biodiversity on islands. While successes have been achieved using traditional removal methods, such as toxicants aimed at rodents, these approaches have limitations and various off-target effects on island ecosystems. Gene drive technologies designed to eliminate a population provide an alternative approach, but the potential for drive-bearing individuals to escape from the target release area and impact populations elsewhere is a major concern. Here we propose the “Locally Fixed Alleles” approach as a novel means for localizing elimination by a drive to an island population that exhibits significant genetic isolation from neighboring populations. Our approach is based on the assumption that in small island populations of rodents, genetic drift will lead to multiple genomic alleles becoming fixed. In contrast, multiple alleles are likely to be maintained in larger populations on mainlands. Utilizing the high degree of genetic specificity achievable using homing drives, for example based on the CRISPR/Cas9 system, our approach aims at employing one or more locally fixed alleles as the target for a gene drive on a particular island. Using mathematical modeling, we explore the feasibility of this approach and the degree of localization that can be achieved. We show that across a wide range of parameter values, escape of the drive to a neighboring population in which the target allele is not fixed will at most lead to modest transient suppression of the non-target population. While the main focus of this paper is on elimination of a rodent pest from an island, we also discuss the utility of the locally fixed allele approach for the goals of population suppression or population replacement. Our analysis also provides a threshold condition for the ability of a gene drive to invade a partially resistant population.

Abstract Invasive rodents, including house mice, are a major cause of environmental damage and biodiversity loss, particularly in island ecosystems. Eradication can be achieved through the distribution of rodenticide, but this approach is expensive to apply at scale, can have negative impacts (e.g. on non-target species, or through contamination), has animal ethics concerns, and has restrictions on where it can be used. Gene drives, which exhibit biased inheritance, have been proposed as a next generation strategy to control invasive alien pests and disease vectors. However, synthetic gene drives including CRISPR homing drives have proven to be technically challenging to develop in mice. The t haplotype is a naturally-occurring segregation distortion locus with highly biased transmission from heterozygous males. Here we propose a novel gene drive strategy for population suppression, t CRISPR , that leverages t haplotype bias and an embedded SpCas9/gRNA transgene to spread inactivating mutations in a haplosufficient female fertility gene. Using spatially explicit individual-based in silico modelling, we show that polyandry, sperm competition, dispersal, and transmission bias are critical factors for t CRISPR -mediated population suppression. Modelling of realistic parameter values indicates that t CRISPR can eradicate an island population of 200,000 mice while the unmodified t haplotype fails under the same conditions. We also demonstrate feasibility of this approach by engineering t CRISPR mice in a safe split drive format. t CRISPR mice exhibit high transmission of the modified t haplotype, and efficient generation and transmission of inactivating mutations in a recessive female fertility gene, crucially, at levels for which the modelling predicts that population eradication can occur. This is the first example of a feasible gene drive system for invasive alien rodent population control.

Bluehead wrasses undergo dramatic, socially-cued female to male sex change. We apply transcriptomic and methylome approaches in this wild coral reef fish to identify the primary trigger and subsequent molecular cascade of gonadal metamorphosis. Our data suggest that the environmental stimulus is exerted via the stress axis, that repression of the aromatase gene (encoding the enzyme converting androgens to estrogens) triggers a cascaded collapse of feminizing gene expression, and identifies notable sex-specific gene neofunctionalization. Furthermore, sex change involves distinct epigenetic reprogramming and an intermediate state with altered epigenetic machinery expression akin to the early developmental cells of mammals. These findings reveal at a molecular level how a normally committed developmental process remains plastic and is reversed to completely alter organ structures.

Encountering and adaptively responding to unfamiliar or novel stimuli is a fundamental challenge facing animals and is linked to fitness. Behavioral responses to novel stimuli can differ strongly between closely related species; however, the ecological and evolutionary factors underlying these differences are not well understood, in part because most comparative investigations have focused on only two species. In this study, we investigate behavioral responses to novel environments, or exploratory behaviors, sampling from a total of 20 species in a previously untested vertebrate system, Lake Malawi cichlid fishes, which comprises hundreds of phenotypically diverse species that have diverged in the past one million years. We show generally conserved behavioral response patterns to different types of environmental stimuli in Lake Malawi cichlids, spanning multiple assays and paralleling other teleost and rodent lineages. Next, we demonstrate that more specific dimensions of exploratory behavior vary strongly among Lake Malawi cichlids, and that a large proportion of this variation is explained by species differences. We further show that species differences in open field behaviors are explained by microhabitat and by a major evolutionary split between the mbuna and benthic/utaka radiations in Lake Malawi. Lastly, we track some individuals across a subset of behavioral assays and show that patterns of behavioral covariation across contexts are characteristic of modular complex traits. Taken together, our results tie ecology and evolution to natural behavioral variation, and highlight Lake Malawi cichlids as a powerful system for understanding the biological basis of exploratory behaviors.