Abstract There is considerable interest in comparing functional genomic data across species. One goal of such work is to provide an integrated understanding of genome and phenotype evolution. Most comparative functional genomic studies have relied on multiple pairwise comparisons between species, an approach that does not incorporate information about the evolutionary relationships among species. The statistical problems that arise from not considering these relationships can lead pairwise approaches to the wrong conclusions, and are a missed opportunity to learn about biology that can only be understood in an explicit phylogenetic context. Here we examine two recently published studies that compare gene expression across species with pairwise methods, and find reason to question the original conclusions of both. One study interpreted pairwise comparisons of gene expression as support for the ortholog conjecture, the hypothesis that orthologs tend to be more similar than paralogs. The other study interpreted pairwise comparisons of embryonic gene expression across distantly related animals as evidence for a distinct evolutionary process that gave rise to phyla. In each study, distinct patterns of pairwise similarity among species were originally interpreted as evidence of particular evolutionary processes, but instead we find they reflect species relationships. These reanalyses concretely demonstrate the inadequacy of pairwise comparisons for analyzing functional genomic data across species. It will be critical to adopt phylogenetic comparative methods in future functional genomic work. Fortunately, phylogenetic comparative biology is also a rapidly advancing field with many methods that can be directly applied to functional genomic data. Significance Comparisons of genome function between species are providing important insight into the evolutionary origins of diversity. Here we demonstrate that comparative functional genomics studies can come to the wrong conclusions if they do not take the relationships of species into account and instead rely on pairwise comparisons between species, as is common practice. We re-examined two previously published studies and found problems with pairwise comparisons that draw both their original conclusions into question. One study had found support for the ortholog conjecture and the other had concluded that the evolution of gene expression was different between animal phyla than within them. Our results demonstrate that to answer evolutionary questions about genome function, it is critical to consider evolutionary relationships.

Abstract Background Siphonophores are complex colonial animals, consisting of asexually-produced bodies (called zooids) that are functionally specialized for specific tasks, including feeding, swimming, and sexual reproduction. Though this extreme functional specialization has captivated biologists for generations, its genomic underpinnings remain unknown. We use RNA-seq to investigate gene expression patterns in five zooids and one specialized tissue (pneumatophore) across seven siphonophore species. Analyses of gene expression across species present several challenges, including identification of comparable expression changes on gene trees with complex histories of speciation, duplication, and loss. Here, we conduct three analyses of expression. First, we examine gene expression within species. Then, we conduct classical analyses examining expression patterns between species. Lastly, we introduce Speciation Branch Filtering, which allows us to examine the evolution of expression in a phylogenetic framework. Results Within and across species, we identified hundreds of zooid-specific and species-specific genes, as well as a number of putative transcription factors showing differential expression in particular zooids and developmental stages. We found that gene expression patterns tended to be largely consistent in zooids with the same function across species, but also some large lineage-specific shifts in gene expression. Conclusions Our findings show that patterns of gene expression have the potential to define zooids in colonial organisms. We also show that traditional analyses of the evolution of gene expression focus on the tips of gene phylogenies, identifying large-scale expression patterns that are zooid or species variable. The new explicit phylogenetic approach we propose here focuses on branches (not tips) offering a deeper evolutionary perspective into specific changes in gene expression within zooids along all branches of the gene (and species) trees.

1 Abstract With detailed data on gene expression accessible from an increasingly broad array of species, we can test the extent to which our developmental genetic knowledge from model organisms predicts expression patterns and variation across species. But to know when differences in gene expression across species are significant, we first need to know how much evolutionary variation in gene expression we expect to observe. Here we provide an answer by analyzing RNAseq data across twelve species of Hawaiian Drosophilidae flies, focusing on gene expression differences between the ovary and other tissues. We show that over evolutionary time, there exists a cohort of ovary specific genes that is stable and that largely corresponds to described expression patterns from laboratory model Drosophila species. Our results also provide a demonstration of the prediction that, as phylogenetic distance increases, variation between species overwhelms variation between tissue types. Using ancestral state reconstruction of expression, we describe the distribution of evolutionary changes in tissue-biased expression, and use this to identify gains and losses of ovary-biased expression across these twelve species. We then use this distribution to calculate the evolutionary correlation in expression changes between genes, and demonstrate that genes with known interactions in D. melanogaster are significantly more correlated in their evolution than genes with no or unknown interactions. Finally, we use this correlation matrix to infer new networks of genes that share evolutionary trajectories, and we present these results as a dataset of new testable hypotheses about genetic roles and interactions in the function and evolution of the Drosophila ovary.

The open ocean is a vast, highly connected environment, and the organisms found there have been hypothesized to represent massive, well-mixed populations. Of these, the Portuguese man-o'-war (Physalia) is uniquely suited to dispersal, sailing the ocean surface with a muscular crest. We tested the hypothesis of a single, panmictic Physalia population by sequencing 133 genomes, and found five distinct lineages, with multiple lines of evidence showing strong reproductive isolation despite range overlap. We then scored thousands of citizen-science photos and identified four recognizable morphologies linked to these lineages. Within lineages, we detected regionally endemic subpopulations, connected by winds and currents, and identified individual long-distance dispersal events. We find that, even in these sailing species, genetic variation is highly partitioned geographically across the open ocean.

Siphonophores are a diverse group of hydrozoans (Cnidaria) that are found at all depths of the ocean - from the surface, like the familiar Portuguese man of war, to the deep sea. Siphonophores play an important role in ocean ecosystems, and are among the most abundant gelatinous predators. A previous phylogenetic study based on two ribosomal RNA genes provided insight into the internal relationships between major siphonophore groups, however there was little support for many deep relationships within the clade Codonophora. Here, we present a new siphonophore phylogeny based on new transcriptome data from 30 siphonophore species analyzed in combination with 13 publicly available genomic and transcriptomic datasets. We use this new phylogeny to reconstruct several traits that are central to siphonophore biology, including sexual system (monoecy vs. dioecy), gain and loss of zooid types, life history traits, and habitat. The phylogenetic relationships in this study are largely consistent with the previous phylogeny, but we find strong support for new clades within Codonophora that were previously unresolved. These results have important implications for trait evolution within Siphonophora, including favoring the hypothesis that monoecy arose twice.

The Portuguese man of war, Physalia physalis , is a siphonophore that uses a gas-filled float as a sail to catch the wind. It is one of the most conspicuous, but poorly understood members of the pleuston, a community of organisms that occupy a habitat at the sea-air interface. The development, morphology, and colony organization of P. physalis is very different from all other siphonophores. Here, we propose a framework for homologizing the axes with other siphonophores, and also suggest that the tentacle bearing zooids should be called tentacular palpons. We also look at live and fixed larval and non-reproductively mature juvenile specimens, and use optical projection tomography to build on existing knowledge about the morphology and development of this species. Previous descriptions of P. physalis larvae, especially descriptions of budding order, were often framed with the mature colony in mind. However, we use the simpler organization of larvae and the juvenile specimens to inform our understanding of the morphology, budding order, and colony organization in the mature specimen. Finally, we review what is known about the ecology and lifecyle of P. physalis .

Abstract Evolutionary transitions between individual and colonial organisms remain enigmatic. Siphonophores, abundant pelagic cnidarians, exhibit a complex colony structure composed of repeated individual (zooid) clusters called cormidia. Many siphonophores release their posterior-most cormidia as independent fragments known as eudoxids, ensuring sexual reproduction. However, the mechanisms of eudoxid production and its evolutionary origins are unknown. Using live imaging, immunohistochemistry and pharmacological inhibition we provide a mechanistic understanding of eudoxid formation. We demonstrate that eudoxid release is controlled by a dedicated muscle and involves tissue remodeling, leading to the formation of an integrated dispersive unit with specific behaviors and a different buoyancy. We show that eudoxids and parental colonies often have different spatial or temporal distributions, suggesting niche partitioning. We infer that eudoxids evolved once through the concomitant evolution of multiple cormidium subparts. This study reveals how the acquisition of an individual-like dispersal stage, through muscle evolution and colony modification, contributed to the ecological success of a primary carnivore in marine planktonic ecosystems. Teaser Co-option of a muscle in siphonophores enabled life cycle complexification and ecological diversification

During meiosis, each duplicated chromosome pairs and recombines with its unique homolog to ensure the shuffling of genetic information across generations. Functional studies in classical model organisms have revealed a surprising diversity in the chronology and interdependency of the earliest meiotic steps such as chromosome movements, pairing, association via Synaptonemal Complex formation (synapsis), recombination and the formation of chiasmata. A key player is Spo11, an evolutionarily conserved topoisomerase-related transesterase that initiates meiotic recombination via the catalysis of programmed DNA double stranded breaks (DSBs). While DSBs are required for pairing and synapsis in budding yeast and mouse, alternative pathways are employed during female meiosis of the fruit fly and nematode Caenorhabditis elegans . Here, to provide a comparative perspective on meiotic regulation from a distinct animal clade, we chart gametogenesis in Clytia hemisphaerica jellyfish and examine the role of Spo11 using CRISPR-Cas9 mutants, generated clonally from F0 polyp colonies. Spo11 mutant females fail to assemble synaptonemal complexes and chiasmata, such that homologous chromosome pairs disperse during oocyte growth. Subsequent meiotic divisions are abnormal but produce viable progeny. Clytia thus shares an ancient eukaryotic dependence of synapsis and chromosome segregation on Spo11-generated DSBs. It provides a valuable additional experimental model for dissecting meiotic mechanisms during animal gametogenesis, and for building a comparative framework for distinguishing evolutionarily conserved versus flexible features of meiosis.