Diversification of Neotropical birds is not directly linked to the Andean uplift, the major landscape change of the Neogene period; instead, most diversification is post-Neogene and species diversity is dependent on how long lineages have persisted in the landscape and how easily they disperse. The idea that landscape change drives diversification is firmly embedded in the biogeographical literature. It has been difficult to test this against alternative possibilities, including a model in which diversification is driven by evolutionary persistence and geographic structuring of populations by the ability of an organism to navigate the landscape matrix. Robb Brumfield and colleagues have examined patterns of genetic differentiation in co-distributed bird species in tropical Central and South America and find unequivocal support for the latter model. The data are a poor fit to the model invoking landscape change, revealing no direct link to Andes uplift. Rather, diversification times differ from each other widely and depend on how long lineages persist in the landscape and how easily they disperse. Since the recognition that allopatric speciation can be induced by large-scale reconfigurations of the landscape that isolate formerly continuous populations, such as the separation of continents by plate tectonics, the uplift of mountains or the formation of large rivers, landscape change has been viewed as a primary driver of biological diversification. This process is referred to in biogeography as vicariance1. In the most species-rich region of the world, the Neotropics, the sundering of populations associated with the Andean uplift is ascribed this principal role in speciation2,3,4,5. An alternative model posits that rather than being directly linked to landscape change, allopatric speciation is initiated to a greater extent by dispersal events, with the principal drivers of speciation being organism-specific abilities to persist and disperse in the landscape6,7. Landscape change is not a necessity for speciation in this model8. Here we show that spatial and temporal patterns of genetic differentiation in Neotropical birds are highly discordant across lineages and are not reconcilable with a model linking speciation solely to landscape change. Instead, the strongest predictors of speciation are the amount of time a lineage has persisted in the landscape and the ability of birds to move through the landscape matrix. These results, augmented by the observation that most species-level diversity originated after episodes of major Andean uplift in the Neogene period, suggest that dispersal and differentiation on a matrix previously shaped by large-scale landscape events was a major driver of avian speciation in lowland Neotropical rainforests.

Significance The formation of the Isthmus of Panama, which linked North and South America, is key to understanding the biodiversity, oceanography, atmosphere, and climate in the region. Despite its importance across multiple disciplines, the timing of formation and emergence of the Isthmus and the biological patterns it created have been controversial. Here, we analyze molecular and fossil data, including terrestrial and marine organisms, to show that biotic migrations across the Isthmus of Panama began several million years earlier than commonly assumed. An earlier evolution of the Isthmus has broad implications for the mechanisms driving global climate (e.g., Pleistocene glaciations, thermohaline circulation) as well as the rich biodiversity of the Americas.

Abstract The resolution of the Tree of Life has accelerated with advances in DNA sequencing technology. To achieve dense sampling, it is often necessary to obtain DNA from historical museum specimens to supplement modern genetic samples. However, DNA from historical material is generally degraded and fragmented, which presents various challenges. In this study, we evaluated how the coverage at variant sites and missing data among historical and modern sample types impacts phylogenomic inference. We explored these patterns in the brush-tongued parrots (lories and lorikeets) of Australasia by sampling ultraconserved elements in 105 taxa. Trees estimated with low coverage sites had several clades where historical or modern samples clustered together, which were not observed in trees with more stringent filtering. To assess if the aberrant relationships were affected by missing data, we performed a targeted outlier analysis of sites and loci and a more general data reduction approach where we excluded sites based on a percentage of data completeness. The outlier analyses showed that 6.6% of total sites were driving the topological differences among trees built with and without low coverage sites, and at these sites, historical samples had 7.5x more missing data than modern ones. An examination of subclades identified loci biased by missing data, and the exclusion of these loci shifted phylogenetic relationships. Predictive modeling found that outlier analysis scores were not correlated with summary statistics of locus alignments, indicating that outlier loci do not have characteristics differing from other loci. Excluding missing data by percentage completeness indicated that sites with 70% completeness were necessary to avoid spurious relationships, but more stringent conditions of data completeness produced less-resolved trees. After accounting for biased loci and understanding the stability of relationships, we inferred a more robust phylogenetic hypothesis for lories and lorikeets.

Abstract The fundamental value of universal nomenclatural systems in biology is that they enable unambiguous scientific communication. However, the stability of these systems is threatened by recent discussions asking for a fairer nomenclature, raising the possibility of bulk revision processes for “inappropriate” names. It is evident that such proposals come from very deep feelings, but we show how they can irreparably damage the foundation of biological communication and, in turn, the sciences that depend on it. There are four essential consequences of objective codes of nomenclature: universality, stability, neutrality, and transculturality. These codes provide fair and impartial guides to the principles governing biological nomenclature and allow unambiguous universal communication in biology. Accordingly, no subjective proposals should be allowed to undermine them.

Abstract Large rivers are ubiquitously invoked to explain the distributional limits and speciation of the Amazon Basin’s mega-diversity. However, inferences on the spatial and temporal origins of Amazonian species have narrowly focused on evolutionary neutral models, ignoring the potential role of natural selection and intrinsic genomic processes known to produce heterogeneity in differentiation across the genome. To test how genomic architecture impacts our ability to reconstruct patterns of spatial diversification across multiple taxa, we sequenced whole genomes for populations of bird species that co-occur in southeastern Amazonian. We found that phylogenetic relationships within species and demographic parameters varied across the genome in predictable ways. Genetic diversity was positively associated with recombination rate and negatively associated with the species tree topology weight. Gene flow was less pervasive in regions of low recombination, making these windows more likely to retain patterns of population structuring that matched the species tree. We further found that approximately a third of the genome showed evidence of selective sweeps and linked selection skewing genome-wide estimates of effective population sizes and gene flow between populations towards lower values. In sum, we showed that the effects of intrinsic genomic characteristics and selection can be disentangled from the neutral processes to elucidate how speciation hypotheses and biogeographic patterns are sensitive to genomic architecture.

Abstract Large Amazonian rivers impede dispersal for many species, but lowland river networks frequently rearrange, thereby altering the location and effectiveness of river-barriers through time. These rearrangements may promote biotic diversification by facilitating episodic allopatry and secondary contact among populations. We sequenced genome-wide markers to evaluate histories of divergence and introgression in six Amazonian avian species-complexes. We first tested the assumption that rivers are barriers for these taxa and found that even relatively small rivers facilitate divergence. We then tested whether species diverged with gene flow and recovered reticulate histories for all species, including one potential case of hybrid speciation. Our results support the hypothesis that river dynamics promote speciation and reveal that many rainforest taxa are micro-endemic, unrecognized and thus threatened with imminent extinction. We propose that Amazonian hyper-diversity originates in part from fine-scale barrier displacement processes –including river dynamics– which allow small populations to differentiate and disperse into secondary contact.

Abstract Background Bird plumage exhibits a diversity of colors that serve functional roles ranging from signaling to camouflage and thermoregulation. However, birds must maintain a balance between evolving colorful signals to attract mates, minimizing conspicuousness to predators, and optimizing adaptation to climate conditions. Examining plumage color macroevolution provides a framework for understanding this dynamic interplay over phylogenetic scales. Plumage evolution due to a single overarching process, such as selection, may generate the same macroevolutionary pattern of color variation across all body regions. In contrast, independent processes may partition plumage into sections and produce region-specific patterns. To test these alternative scenarios, we collected color data from museum specimens of an ornate clade of birds, the Australasian lorikeets, using visible-light and UV-light photography, and comparative methods. We predicted that the diversification of homologous feather regions, i.e., patches, known to be involved in sexual signaling (e.g., face) would be less constrained than patches on the back and wings, where new color states may come at the cost of crypsis. Because environmental adaptation may drive evolution towards or away from color states, we tested whether climate more strongly covaried with plumage regions under greater or weaker macroevolutionary constraint. Results We found that alternative macroevolutionary models and varying rates best describe color evolution, a pattern consistent with our prediction that different plumage regions evolved in response to independent processes. Modeling plumage regions independently, in functional groups, and all together showed that patches with similar macroevolutionary models clustered together into distinct regions (e.g., head, wing, belly), which suggests that plumage does not evolve as a single trait in this group. Wing patches, which were conserved on a macroevolutionary scale, covaried with climate more strongly than plumage regions (e.g., head), which diversified in a burst. Conclusions Overall, our results support the hypothesis that the extraordinary color diversity in the lorikeets was generated by a mosaic of evolutionary processes acting on plumage region subsets. Partitioning of plumage regions in different parts of the body provides a mechanism that allows birds to evolve bright colors for signaling and remain hidden from predators or adapt to local climatic conditions.

Abstract The study of biogeographic barriers have been instrumental in understanding the evolution and distribution of taxa. Now with the increased availability of empirical datasets, it is possible to infer emergent patterns from communities by synthesizing how barriers filter and structure populations across species. We assemble phylogeographic data for a barrier and perform spatially-explicit simulations to quantify temporal and spatial patterns of divergence, the influence of species traits on these patterns, and understand the statistical power of differentiating alternative diversification modes. We incorporate published datasets to examine taxa around the Cochise Filter Barrier, separating the Sonoran and Chihuahuan deserts of North America, to synthesize phylogeographic structuring across the community with respect to organismal functional traits. We then use a simulation and machine learning pipeline to assess the power of phylogeographic model selection. Taxa distributed across the Cochise Filter Barrier show heterogeneous responses to the barrier in levels of gene flow, phylogeographic structure, divergence timing, barrier width, and divergence mechanism. These responses vary concordantly with locomotor and thermoregulatory traits. Many taxa show a Pleistocene population genetic break, often with introgression after divergence. Allopatric isolation and isolation-by-environment are the primary mechanisms purported to structure taxa. Simulations reveal that in spatially-explicit isolation-with-migration models across the barrier, age of divergence, presence of gene flow, and presence of isolation-by-distance can confound the interpretation of evolutionary history and model selection by producing easily-confusable results. By synthesizing phylogeographic data for the Cochise Filter Barrier we show a pattern where barriers interact with species traits to differentiate taxa in communities over millions of years. Identifying the modes of differentiation across the barriers for these taxa remains challenging because commonly invoked demographic models may not be identifiable across a range of likely parameter space.

Abstract The glacial cycles of the Pleistocene had a global impact on the evolution of species. Although the influence of genetic drift on population genetic dynamics is well understood, the role of selection in shaping patterns of genomic variation during these dramatic climatic changes is less clear. We used whole genome resequencing data to investigate the interplay between demography and natural selection and their influence on the genomic landscape of Downy and Hairy Woodpecker, species co-distributed in previously glaciated North America. Our results revealed a dynamic population history with repeated cycles of bottleneck and expansion, and genetic structure associated with glacial refugia. Levels of nucleotide diversity varied substantially along the genomes of Downy and Hairy Woodpecker, but this variation was highly correlated between the two species, suggesting the presence of conserved genomic features. Nucleotide diversity in both species was positively correlated with recombination rate and negatively correlated with gene density, suggesting that linked selection played a role in reducing diversity in regions of low recombination and high density of targets of selection. Despite strong temporal fluctuations in N e , our demographic analyses indicate that Downy and Hairy Woodpecker were able to maintain relatively large effective population sizes during glaciations, which might have favored natural selection. The magnitude of the effect of linked selection seems to have been modulated by the individual demographic trajectory of populations and species, such that purifying selection has been more efficient in removing deleterious alleles in Hairy Woodpecker owing to its larger long-term N e . These results highlight that while drift captures the expected signature of contracting and expanding populations during climatic perturbations, the interaction of multiple processes produces a predictable and highly heterogeneous genomic landscape.

Abstract Spatial models show that genetic differentiation between populations can be explained by factors ranging from geographic distance to environmental resistance across the landscape. However, genomes exhibit a landscape of differentiation, which could indicate that multiple spatial models better explain divergence in different portions of the genome. We test whether alternative geographic predictors of intraspecific differentiation vary across the genome in ten bird species that co-occur in Sonoran and Chihuahuan Deserts of North America. Using population-level genomic data, we characterized the genomic landscapes across species and modeled five predictors that represented historical and contemporary mechanisms. The characteristics of genomic landscapes differed across the ten species, influenced by varying levels of population structuring and admixture between deserts. General dissimilarity matrix modeling indicated that the best-fit models differed from the whole genome and partitions along the genome. Almost all of the historical and contemporary mechanisms were important in explaining genetic distance, but particularly historical and contemporary environment, while contemporary abundance, position of the barrier to gene flow, and distance explained relatively less. Individual species have significantly different patterns of genomic variation. These results illustrate that the genomic landscape of differentiation was influenced by alternative geographic factors operating on different portions of the genome.