Abstract Across the tree of life, species have repeatedly evolved similar phenotypes. While well-studied for ecological traits, there is also evidence for convergent evolution of sexually selected traits. Swordtail fish ( Xiphophorus ) are a classic model system for studying sexual selection, and female Xiphophorus exhibit strong mate preferences for large male body size and a range of sexually dimorphic ornaments. However, sexually selected traits have been lost multiple times in the genus. Phylogenetic relationships between species in this group have historically been controversial, likely as a result of prevalent gene flow, resulting in uncertainty over the number of losses of ornamentation and large body size. Here, we use whole-genome sequencing approaches to re-examine phylogenetic relationships within a Xiphophorus clade that varies in the presence and absence of sexually selected traits. Using wild-caught individuals, we determine the phylogenetic placement of a small, unornamented species, X. continens , confirming an additional loss of ornamentation and large body size in the clade. With these revised phylogenetic relationships, we analyze evidence for coevolution between body size and other sexually selected traits using a phylogenetically independent contrasts approach. These results provide insights into the evolutionary pressures driving the recurrent loss of suites of sexually selected traits.

Summary The evolution of independent lineages along replicated environmental gradients frequently results in convergent adaptation, yet the degree to which convergence is present across multiple levels of biological organization is often unclear. Additionally, inherent biases associated with shared ancestry and variation in selective regimes across geographic replicates often pose challenges for confidently identifying patterns of convergence. We investigated a system in which three species of poeciliid fishes sympatrically occur in a toxic spring rich in hydrogen sulfide (H 2 S) and an adjacent nonsulfidic stream to examine patterns of adaptive evolution across levels of biological organization. We found convergence in morphological and physiological traits and genome-wide patterns of gene expression among all three species. In addition, there were shared signatures of selection on genes encoding H 2 S toxicity targets in the mitochondrial genomes of each species. However, analyses of nuclear genomes revealed neither evidence for substantial genomic islands of divergence around genes involved in H 2 S toxicity and detoxification nor substantial congruence of strongly differentiated regions across population pairs. These non-convergent, heterogenous patterns of genomic divergence may indicate that sulfide tolerance is highly polygenic, with shared allele frequency shifts present at many loci with small effects along the genome. Alternatively, H 2 S tolerance may involve substantial genetic redundancy, with non-convergent lineage-specific variation at multiple loci along the genome underpinning similar changes in phenotypes and gene expression. Overall, we demonstrate variability in the extent of convergence across organizational levels and highlight the challenges of linking patterns of convergence across scales.

Abstract Convergent evolution, where independent lineages evolve similar traits when adapting to similar habitats, is a common phenomenon and testament to the repeatability of evolutionary processes. Still, non-convergence is also common, and a major question is whether apparently idiosyncratic, lineage-specific evolutionary changes are reflective of chance events inherent to evolutionary processes, or whether they are also influenced by deterministic genetic or ecological factors. To address this question, we quantified the degree of convergence in genome-wide patterns of gene expression across lineages of livebearing fishes (family Poeciliidae) that span 40 million years of evolution and have colonized extreme environments in the form of toxic, hydrogen-sulfide-rich springs. We specifically asked whether the degree of convergence across lineage pairs was related to their phylogenetic relatedness or the ecological similarity of the habitats they inhabit. Using phylogenetic comparative analyses, we showed that the degree of convergence was highly variable across lineage pairs residing in sulfide springs. While closely related lineages did not exhibit higher degrees of convergence than distantly related ones, we uncovered a strong relationship between degree of convergence and ecological similarity. Our results indicate that variation in the degree of convergence is not merely noise associated with evolutionary contingency. Rather, cryptic environmental variation that is frequently ignored when we employ reductionist approaches can significantly contribute to adaptive evolution. This study highlights the importance of multivariate approaches that capture the complexities of both selective regimes and organismal design when assessing the roles of determinism and contingency in evolution. Significance Statement When different species adapt to similar environmental conditions, we frequently observe a mix between shared (convergent) and lineage-specific (nonconvergent) evolutionary changes. Shared changes provide evidence for the repeatability and predictability of evolution. However, it remains unclear whether lineage-specific changes are caused by random forces that limit the predictability of evolution, or whether they reflect deterministic processes shaped by unidentified genetic and environmental factors. By analyzing patterns of gene expression across fishes in extreme environments, we show that the degree of convergence between lineages is related to ecology, indicating that lineage-specific evolutionary changes are not just noise caused by random processes. Thus, acknowledging the complexity of nature in empirical research is critical if we want to predict evolution.

Regulating transcription allows organisms to respond to their environment, both within a single generation (plasticity) and across generations (adaptation). We examined transcriptional differences in gill tissues of fishes in the Poecilia mexicana species complex (family Poeciliidae), which have colonized toxic springs rich in hydrogen sulfide (H 2 S) in southern Mexico. There are gene expression differences between sulfidic and non-sulfidic populations, yet regulatory mechanisms mediating this gene expression variation remain poorly studied. We combined capped-small RNA sequencing (csRNA-seq), which captures actively transcribed (i.e. nascent) transcripts, and messenger RNA sequencing (mRNA-seq) to examine how variation in transcription, enhancer activity, and associated transcription factor binding sites may facilitate adaptation to extreme environments. csRNA-seq revealed thousands of differentially initiated transcripts between sulfidic and non-sulfidic populations, many of which are involved in H 2 S detoxification and response. Analyses of transcription factor binding sites in promoter and putative enhancer csRNA-seq peaks identified a suite of transcription factors likely involved in regulating H 2 S-specific shifts in gene expression, including several key transcription factors known to respond to hypoxia. Our findings uncover a complex interplay of regulatory processes that reflect the divergence of extremophile populations of P. mexicana from their non-sulfidic ancestors and suggest shared responses among evolutionarily independent lineages.

Abstract Phenotypic variation is common along environmental gradients, but it is often unknown to what extent it results from genetic differentiation between populations or phenotypic plasticity. We studied populations of a livebearing fish that have colonized streams rich in toxic hydrogen sulfide (H 2 S). In nature, there is strong phenotypic differentiation between adjacent sulfidic and nonsulfidic populations. In this study, we varied food availability to pregnant mothers from different populations to induce maternal effects, a form of plasticity, and repeatedly measured life-history and behavioral traits throughout the offspring’s ontogeny. Genetic differentiation affected most of the traits we measured, as sulfidic offspring tended to be born larger, mature later, have lower burst swimming performance, be more exploratory, and feed less accurately. In contrast, maternal effects impacted few traits and at a smaller magnitude, even though offspring from poorly provisioned mothers tended to be born larger and be more exploratory. Population differences and maternal effects (when both were present) acted synergistically, and there was no evidence for population differences in plasticity. Overall, our study suggests that phenotypic divergence between these populations in nature is primarily caused by genetic differentiation, and that plasticity mediated by maternal effects accentuates—but does not cause—differences between populations.

Abstract Visual sensitivity and body pigmentation are often shaped by both natural selection from the environment and sexual selection from mate choice. One way of quantifying the impact of the environment is by measuring how traits have changed after colonization of a novel habitat. To do this, we studied Poecilia mexicana populations that have repeatedly adapted to extreme sulphidic (H 2 S containing) environments. We measured visual sensitivity using opsin gene expression, as well as body pigmentation and water transmission for populations in four independent drainages. Both visual sensitivity and body pigmentation showed significant parallel shifts towards greater medium wavelength sensitivity and reflectance in sulphidic populations. The light spectrum was only subtly different between environments and overall, we found no significant correlations between the light environment and visual sensitivity or body pigmentation. Altogether we found that sulphidic habitats select for differences in visual sensitivity and pigmentation; our data suggest that this effect is unlikely to be driven purely by the water’s spectral properties and may instead be from other correlated ecological changes.

Salinity gradients act as strong environmental barriers that limit the distribution of aquatic organisms. Changes in gene expression associated with transitions between freshwater and saltwater environments can provide insights into organismal responses to variation in salinity. We used RNA-sequencing (RNA-seq) to investigate genome-wide variation in gene expression between a hypersaline population and a freshwater population of the livebearing fish species Limia perugiae (Poeciliidae). Our analyses of gill gene expression revealed potential molecular mechanisms underlying salinity tolerance in this species, including the enrichment of genes involved in ion transport, maintenance of chemical homeostasis, and cell signaling in the hypersaline population. We also found differences in gene expression patterns associated with cell-cycle and protein-folding processes between the hypersaline and freshwater L . perugiae . Bidirectional freshwater-saltwater transitions have occurred repeatedly during the diversification of fishes, allowing for broad-scale examination of repeatable patterns in evolution. Therefore, we compared transcriptomic variation in L . perugiae with other teleosts that have made freshwater-saltwater transitions to test for convergence in gene expression. Among the four distantly related population pairs from high- and low-salinity environments that we included in our analysis, we found only ten shared differentially expressed genes, indicating little evidence for convergence. However, we found that differentially expressed genes shared among three or more lineages were functionally enriched for ion transport and immune functioning. Overall, our results—in conjunction with other recent studies—suggest that different genes are involved in salinity transitions across disparate lineages of teleost fishes.

Shifts in life history evolution can potentiate sexual selection and speciation. However, we rarely understand the causative links between correlated patterns of diversification or the tipping points that initiate changes with cascading effects. We investigated livebearing fishes with repeated transitions from pre- (lecithotrophy) to post-fertilization maternal provisioning (matrotrophy) to identify the potential ecological drivers of evolutionary transitions in life history. Phylogenetic comparative analyses across 94 species revealed that bi-directional evolution along the lecithotrophy-matrotrophy continuum is correlated with ecology, supporting adaptive hypotheses of life history diversification. Consistent with theory, matrotrophy was associated with high resource availability and low competition. Our results suggest that ecological sources of selection contribute to the diversification of female provisioning strategies in livebearing fishes, which have been associated with macroevolutionary patterns of sexual selection and speciation.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract Salinity gradients act as strong environmental barriers that limit the distribution of aquatic organisms. Changes in gene expression associated with transitions between freshwater and saltwater environments can provide insight into organismal responses to variation in salinity. We used RNA-sequencing (RNA-seq) to investigate genome-wide variation in gene expression between a hypersaline population and a freshwater population of the livebearing fish species Limia perugiae (Poeciliidae). Our analyses of gill gene expression revealed potential molecular mechanisms underlying salinity tolerance in this species, including the enrichment of genes involved in ion transport, maintenance of chemical homeostasis, and cell signaling in the hypersaline population. We also found differences in gene expression patterns associated with cell cycle and protein folding processes between the hypersaline and freshwater L. perugiae . Bidirectional freshwater-saltwater transitions have occurred repeatedly during the diversification of fishes, allowing for broad-scale examination of repeatable patterns in evolution. We compared transcriptomic variation in L. perugiae with other teleosts that have made freshwater-saltwater transitions to test for convergence in gene expression. Among the four distantly related population pairs from high- and low-salinity environments that we included in our analysis, we found only ten shared differentially expressed genes, indicating little evidence for convergence. However, we found that differentially expressed genes shared among three or more lineages were functionally enriched for ion transport and immune functioning. Overall, our results—in conjunction with other recent studies— suggest that different genes are involved in salinity transitions across disparate lineages of teleost fishes.