ABSTRACT How the avian sex chromosomes first evolved from autosomes remains elusive as 100 million years (Myr) of divergence and degeneration obscure their evolutionary history. Sylvioidea songbirds is an emerging model for understanding avian sex chromosome evolution because a unique chromosome fusion event ∼24 Myr ago has formed enlarged “neo-sex chromosomes” consisting of an added (new) and an ancestral (old) part. Here, we report the female genome (ZW) of one Sylvioidea species, the great reed warbler ( Acrocephalus arundinaceus ). We confirm that the added region has been translocated to both Z and W, and show that the added-W part has been heavily reorganised within itself and with the ancestral-W. Next, we show that recombination between Z and W continued after the fusion event, and that recombination suppression took ∼10 Myr to be completed and arose locally and non-linearly along the sex chromosomes. This pattern is inconsistent with that of large inversions and instead suggests gradual and mosaic recombination suppression. We find that the added-W mirrors the ancestral-W in terms of repeat accumulation, loss of genetic variation, and gene degeneration. Lastly, we show that genes being maintained on W are slowly evolving and dosage sensitive, and that highly conserved genes across broad taxonomic groups, regardless of sex-linkage, evolve slower on both Z and W. This study reveals complex expansion of recombination suppression along avian sex chromosomes, and that the evolutionary trajectory of sex-linked genes is highly predictable and governed partly by sex-linkage per se , partly by their functional properties.

Abstract Long-distance migration requires adaptations in a suite of behavioral, physiological and morphological traits. However, almost nothing is known about the genetic basis of these adaptations. The willow warbler Phylloscopus trochilus occurs in Europe with a northern and southern subspecies that show drastically different migration routes and wintering areas. Previous studies have demonstrated that the subspecies are genetically extremely similar except for three divergent chromosome regions, of which two are associated with the differences in migratory phenotypes and one is associated with an environmental gradient. Here we use a combination of long-read sequencing, linked-read sequencing and optical mapping to construct more complete and contiguous assemblies for both of the subspecies. We find evidence for inversions in each of the three divergent regions, which range from 0.4 to 13 Mb in size, and that breakpoints are associated with tandem repeat arrays or segmental duplications. The divergence times between inverted and non-inverted haplotypes are similar across the regions (∼1.2 Myrs), which is compatible with a scenario where the inversions arose in either of two allopatric populations that subsequently hybridized. The improved genome assemblies and annotation also allowed us to detect additional functional differences in the divergent regions that provide candidate genes for migration and local adaptations to environmental gradients.

In the majority of bird species, recombination between the sex chromosome pairs in heterogametic females (ZW) is restricted to a small pseudoautosomal region (PAR), whereas recombination is ongoing along the entire Z chromosome in the homogametic males (ZZ). Recombination has a strong impact on the sequence evolution by affecting the extent of linkage, level of genetic diversity and efficacy of selection. Species within the Sylvioidea superfamily are unique among birds in having extended Z and W chromosomes (neo-sex chromosomes) formed by a fusion between the ancestral sex chromosomes and a part of chromosome 4A. So far the recombination landscape of the Sylvioidea neo-sex chromosomes remains unknown, despite its importance for understanding sequence evolution. Here, we use linkage mapping in a multi-generation pedigree to assemble, and assess the recombination rate along the entire Z chromosome of one Sylvioidea species, the great reed warbler ( Acrocephalus arundinaceus ). This resulted in an 87.54 Mbp and 90.19 cM large Z including the ancestral-Z, where the small PAR (0.89 Mbp) is located, and the added-Z. A striking result was an extreme variation in recombination rate along the Z in male great reed warblers with high rates at both telomeric ends, but an apparent lack of recombination over a substantial central section, covering 77% of the chromosome. This region showed a drastic loss of nucleotide diversity and accumulation of repeats compared to the highly recombining regions. Nonetheless, the evolutionary rate of genes (measured by dN/dS) did not differ between these regions, suggesting that the efficacy of selection on protein-coding sequences is not reduced by lack of recombination.

Abstract Recombination plays a crucial role in evolution by generating novel haplotypes and disrupting linkage between genes, thereby enhancing the efficiency of selection. Here, we analyse the genomes of twelve great reed warblers ( Acrocephalus arundinaceus ) in a three-generation pedigree to identify precise crossover positions along the chromosomes. We located more than 200 crossovers and found that these were highly concentrated towards the telomeric ends of the chromosomes. While the number of recombination events was similar between the sexes, the crossovers were located significantly closer to the ends of paternal compared to maternal chromosomes. The frequency of crossovers was similar between intergenic and genic regions, but within genes, they occurred more frequently in exons than in introns. In conclusion, our study of the great reed warbler revealed substantial variation in crossover frequencies within chromosomes, with a distinct bias towards the sub-telomeric regions, particularly on the paternal side. These findings emphasise the importance of thoroughly screening the entire length of chromosomes to characterise the recombination landscape and uncover potential sex-biases in recombination. Article summary The genetic exchange between the paternal and maternal chromosomes during meiosis – recombination – plays a crucial role in evolution by generating new haplotypes that natural selection can act upon. By analysing genomic data of a three-generation family of great reed warblers, we detected precise locations of approximately 200 recombination events in the genome of these birds. This unveiled a prominent sex-bias with recombination occurring more often towards chromosome ends in males than in females.

Heterogeneous patterns of genomic differentiation are commonly documented between closely related populations and there is considerable interest in identifying factors that contribute to their formation. These factors could include genomic features (e.g., areas of low recombination) that promote processes like linked selection (positive or purifying selection that affects linked neutral sites) at specific genomic regions. Examinations of repeatable patterns of differentiation across population pairs can provide insight into the role of these factors. Birds are well suited for this work, as genome structure is conserved across this group. Accordingly, we re-estimated relative (FST) and absolute (dXY) differentiation between eight sister pairs of birds that span a broad taxonomic range using a common pipeline. Across pairs, there were modest but significant correlations in window-based estimates of differentiation (up to 3% of variation explained for FST and 26% for dXY), supporting a role for processes at conserved genomic features in generating heterogeneous patterns of differentiation. This suggestion was reinforced by linear models identifying several genomic features (e.g., gene densities) as significant predictors of FST and dXY repeatability. FST repeatability was higher among pairs that were further along the speciation continuum (i.e., more reproductively isolated), suggesting that early stages of speciation may be dominated by positive selection that is different between pairs and replaced by processes acting according to shared genomic features as speciation proceeds.

Abstract Urbanisation is currently increasing worldwide, and there is now ample evidence of phenotypic changes in wild organisms in response to this novel environment, but the extent to which this adaptation is due to genetic changes is poorly understood. Current evidence for evolution is based on localised studies, and thus lacking replicability. Here, we genotyped great tits ( Parus major ) from nine cities across Europe, each paired with a rural site, and provide evidence of repeated polygenic responses to urban habitats. In addition, we show that selective sweeps occurred in response to urbanisation within the same genes across multiple cities. These genetic responses were mostly associated with genes related to neural function and development, demonstrating that genetic adaptation to urbanisation occurred around the same pathways in wildlife populations across a large geographical scale.