Sympatric populations of insects adapted to different host plants, i.e., host races, are good models to investigate how natural selection can promote speciation in the face of ongoing gene flow. However, host races are documented in very few model systems and their gradual evolution into good species, as assumed under a Darwinian view of species formation, lacks strong empirical support. We aim at resolving this uncertainty by investigating host specialization and gene flow among populations of the pea aphid complex, Acyrthosiphon pisum. Genetic markers and tests of host plant specificity indicate the existence of at least 11 well-distinguished sympatric populations associated with different host plants in Western Europe. Population assignment tests show variable migration and hybridization rates among sympatric populations, delineating 8 host races and 3 possible species. Notably, hybridization correlates negatively with genetic differentiation, forming a continuum of population divergence toward virtually complete speciation. The pea aphid complex thus illustrates how ecological divergence can be sustained among many hybridizing populations and how insect host races blend into species by gradual reduction of gene flow.

Significance Eukaryotes normally receive their genetic material from their parents but may occasionally, like prokaryotes do, acquire DNA from unrelated organisms through horizontal transfer (HT). In animals and plants, HT mostly concerns transposable elements (TEs), probably because these pieces of DNA can move within genomes. Assessing the impact of HTs on eukaryote evolution and the factors shaping the dynamics of these HTs requires large-scale systematic studies. We have analyzed the genomes from 195 insect species and found that no fewer than 2,248 events of HT of TEs occurred during the last 10 My, particularly between insects that were closely related and geographically close. These results suggest that HT of TEs plays a major role in insect genome evolution.

ABSTRACT Males and females share essentially the same genome but differ in their optimal values for many phenotypic traits, which can result in intra-locus conflict between the sexes. Aphids display XX/X0 sex chromosomes and combine unusual X chromosome inheritance with cyclical parthenogenesis. Theoretical and empirical works support the hypothesis that the large excess of male-biased genes observed on the aphid X chromosome compared to autosomes evolved in response to sexual conflicts, by restricting the products of sexually antagonistic alleles to the sex they benefits. However, whether such masculinization of the X affects all tissues (as expected if it evolved in response to sexual conflicts) or is limited to specific tissues remains an open question. Here, we measured gene expression in three different somatic and gonadic tissues of males, sexual females and parthenogenetic females of the pea aphid. We observed a masculinization of the X in each of the studied tissues, with male-biased genes being 2.5 to 3.5 more frequent on the X than expected. We also tested the hypothesis that gene duplication can facilitate the attenuation of conflicts by allowing gene copies to neo- or sub-functionalize and reach sex-specific optima. As predicted, X-linked copies of duplicated genes having their other copies on autosomes were more frequently male-biased (40.5% of the genes) than duplicated autosomal genes (6.6%) or X-linked single-copy genes (32.5%). These results highlight a peculiar pattern of expression of X-linked genes in aphids at the tissue level and provide further support for sex-biased expression as a mechanism to attenuate intra-locus sexual conflicts.

Abstract In the isopod Armadillidium vulgare , many females produce progenies with female-biased sex ratios, due to two feminizing sex ratio distorters (SRD): Wolbachia endosymbionts and the f element. We investigated the distribution and population dynamics of these SRD and mitochondrial DNA variation in 16 populations from Europe and Japan. Confirming and extending results from the 1990’s, we found that the SRD are present at variable frequencies in populations, and that the f element is overall more frequent than Wolbachia . The two SRD never co-occur at high frequency in any population, suggesting an apparent mutual exclusion. We also detected Wolbachia or the f element in some males, which likely reflects insufficient titer to induce feminization or presence of masculinizing alleles. Our results are consistent with a single integration event of a Wolbachia genome in the A. vulgare genome at the origin of the f element, which contradicts an earlier hypothesis of frequent losses and gains. We identified strong linkage between Wolbachia strains and mitochondrial haplotypes, but no association between the f element and mitochondrial background. Our results open new perspectives on SRD evolutionary dynamics in A. vulgare , the evolution of genetic conflicts and their impact on the variability of sex determination systems.

Abstract Although asexual linages evolved from sexual lineages in many different taxa, the genetics of sex loss remains poorly understood. We addressed this issue in the pea aphid Acyrthosiphon pisum, whose natural populations encompass lineages performing cyclical parthenogenesis (CP) and producing one sexual generation per year, as well as obligate parthenogenetic (OP) lineages that can no longer produce sexual females but can still produce males. A SNP-based, whole-genome scan of CP and OP populations sequenced in pools (103 individuals from six populations) showed that a single X-linked region controls the variation in reproductive mode. This 840-kb region is highly divergent between CP and OP populations (F ST = 34.9%), with >2000 SNPs or short Indels showing a high degree of association with the phenotypic trait. Comparison of de novo genome assemblies built from long reads did not reveal large structural rearrangements between CP and OP lineages within the candidate region. This reproductive polymorphism still appears relatively ancient, as we estimated its age at ~0.25 million years from the divergence between cp and op alleles. The low genetic differentiation between CP and OP populations at the rest of the genome (F ST = 2.4%) suggests gene flow between them. Males from OP lineages thus likely transmit their op allele to new genomic backgrounds. This “contagious asexuality”, combined with environment-induced selection (each reproductive mode being favored under different climates) probably contributes to the long-term persistence of the cp and op alleles. Significance Asexual taxa occur in all major clades of Eukaryotes and derive from related sexual species. Yet, the genetic basis for these transitions is poorly known because crosses cannot generally be performed to genetically map the ability to propagate asexually. As a result, only one gene responsible for sex loss has been identified in one animal species. Here, using pooled genome sequencing, we identified an 840kb region (carrying 32 genes) that controls the transition to permanent asexuality in the pea aphid. We also revealed that sexual and asexual alleles diverged 0.25 million years ago and that asexual lineages likely persist through contagious asexuality, providing new insights into the mechanisms of coexistence of sexual and asexual lineages.

Abstract Sex chromosomes are generally derived from a pair of autosomes that have acquired a locus controlling sex. Sex chromosomes usually evolve reduced recombination around this locus and undergo a long process of molecular divergence. Although sex chromosomes have been intensively studied in several model taxa, the actual loci controlling sex are difficult to identify in highly diverged sex chromosomes, hence they are known in relatively few species. Taxa with evolutionarily young sex chromosomes can help fill this gap in knowledge. Here we aimed at pinpointing the sex-determining region (SDR) of Armadillidium vulgare , a terrestrial isopod with female heterogamety (ZW females and ZZ males) and which presumably presents evolutionarily young sex chromosomes. To locate the SDR, we assessed SNP allele frequencies in F1 daughters and sons sequenced in pools (pool-seq) in several families. We developed a Bayesian method that uses the SNP genotypes of individually sequenced parents and poolseq data from F1 siblings to estimate the genetic distance between a given genomic region (contig) and the SDR. This allowed us to assign more than 43 Megabases of contigs to sex chromosomes. By taking advantage of the several F1 families, we delineated a very short genomic region (~65 kilobases) that did not show evidence for recombination with the SDR. In this region, the comparison of sequencing depths between sexes outlined female-specific genes that may be involved in sex determination. Overall, our results provide strong evidence for an extremely low divergence of sex chromosomes in A. vulgare .

Abstract The mechanisms underlying within-host diversification in parasite populations are still poorly understood. Yet, diversification in parasite phenotype and genotype may have important clinical and epidemiological consequences. Our aim was to determine if the constraints associated with the infection of different host tissues lead to the emergence and co-existence of multiple parasite sub-populations with different phenotypes. We tested this hypothesis by injecting the most widespread bacterial endosymbiont, Wolbachia , isolated from three tissues of the common pill-bug Armadillidium vulgare into uninfected individuals, and by monitoring the growth rate and virulence of each bacterial sub-population in the new hosts. Our results highlighted that within-host environmental heterogeneity led to diverse phenotypes in Wolbachia . This variability did not appear to result from genomic variation, but from phenotypic plasticity. Indeed, we did not find recurrent tissue-specific genomic variation among infected individuals. Whole genome resequencing of the Wolbachia sub-populations and pedigree data from the animals used in this study demonstrated however the coexistence of two Wolbachia variants within our host lineage for almost 20 years. Our results further supported the stability of the Wolbachia genome with respect to small-scale genomic variation, in agreement with reports on other symbiotic systems.

In the terrestrial isopod Armadillidium vulgare, many females produce progenies with female-biased sex ratios due to two feminizing sex ratio distorters (SRD): Wolbachia endosymbionts and a nuclear non-mendelian locus called the f element. To investigate the potential impact of these SRD on the evolution of sex determination, we analyzed their temporal distribution in 6 A. vulgare populations sampled up to 6 times over 12 years, for a total of 29 time points. SRD distribution was heterogeneous among populations despite their close geographic locations, so that when one SRD was frequent in a population, the other SRD was rare. In contrast with spatial heterogeneity, our results overall did not reveal substantial temporal variability in SRD prevalence within populations, suggesting equilibria in SRD evolutionary dynamics may have been reached or nearly so. SRD temporal stability was also reflected in mitochondrial and nuclear variation, with two exceptions. One population was affected by anthropogenic alteration at the sampling spot between the earliest and second time points, likely explaining a rapid shift in genetic composition. However, subsequent global stability suggested that population dynamics equilibrium may be reached in a few generations. In another population, a Wolbachia strain replacement coincided with changes in mitochondrial composition but no change in nuclear composition, thus constituting a typical example of mitochondrial sweep caused by endosymbiont rise in frequency. Rare incongruence between Wolbachia strains and mitochondrial haplotypes further highlighted the occurrence of intraspecific horizontal transmission, making it a biologically relevant parameter for Wolbachia evolutionary dynamics in A. vulgare.

Determining how reproductive barriers modulate gene flow between populations represents a major step towards understanding the factors shaping the course of speciation. Although many indices quantifying reproductive isolation (RI) have been proposed, they do not permit the quantification of cross direction-specific RI under varying species frequencies and over arbitrary sequences of barriers. Furthermore, techniques quantifying associated uncertainties are lacking, and statistical methods unrelated to biological process are still preferred for obtaining confidence intervals and p-values. To address these shortcomings, we provide new RI indices that model changes in gene flow for both directions of hybridization, and we implement them in a Bayesian model. We use this model to quantify RI between two species of the psyllid Cacopsylla pruni based on field genotypic data for mating individuals, inseminated spermatophores and progeny. The results showed that pre-insemination isolation was strong, mildly asymmetric and undistinguishably different between study sites despite large differences in species frequencies; that post-insemination isolation strongly affected the more common hybrid type; and that cumulative isolation was close to complete. In the light of these results, we discuss how these developments can strengthen comparative RI studies.