Abstract Repeated and independent adaptation to specific environmental conditions from standing genetic variation is common. However, if genetic variation is limited, the evolution of similar locally adapted traits may be restricted to genetically different and potentially less optimal solutions or prevented from happening altogether. Using a quantitative trait locus (QTL) mapping approach, we identified the genomic regions responsible for the repeated pelvic reduction (PR) in three crosses between nine-spined stickleback populations expressing full and reduced pelvic structures. In one cross, PR mapped to linkage group 7 (LG7) containing the gene Pitx1 , known to control pelvic reduction also in the three-spined stickleback. In the two other crosses, PR was polygenic and attributed to ten novel QTL, of which 90% were unique to specific crosses. When screening the genomes from 27 different populations for deletions in the Pitx1 regulatory element, these were only found in the population in which PR mapped to LG7, even though the morphological data indicated large effect QTL for PR in several other populations as well. Consistent with the available theory and simulations parameterised on empirical data, we hypothesise that the observed variability in genetic architecture of PR is due to heterogeneity in the spatial distribution of standing genetic variation caused by >2x stronger population structuring among freshwater populations and >10x stronger genetic isolation by distance in the sea in nine-spined sticklebacks as compared to three-spined sticklebacks.

The Gasterostidae fish family hosts several species that are important models for eco-evolutionary, genetic and genomic research. In particular, a wealth of genetic and genomic data have been generated for the three-spined stickleback ( Gasterosteus aculeatus ), the 'ecology's supermodel', while the genomic resources for the nine-spined stickleback ( Pungitius pungitius ) have remained relatively scarce. Here, we report a high-quality chromosome-level genome assembly of P. pungitius consisting of 5,303 contigs (N50 = 1.2 Mbp) with a total size of 521 Mbp. These contigs were mapped to 21 linkage groups using a high-density linkage map, yielding a final assembly with 98.5% BUSCO completeness. A total of 25,062 protein-coding genes were annotated, and ca. 23% of the assembly was found to consist of repetitive elements. A comprehensive analysis of repetitive elements uncovered centromeric-specific tandem repeats and provided insights into the evolution of retrotransposons. A multigene phylogenetic analysis inferred a divergence time of about 26 million years (MYA) between nine- and three-spined sticklebacks, which is far older than the commonly assumed estimate of 13 MYA. Compared to the three-spined stickleback, we identified an additional duplication of several genes in the hemoglobin cluster. Sequencing data from populations adapted to different environments indicated potential copy number variations in hemoglobin genes. Furthermore, genome-wide synteny comparisons between three- and nine-spined sticklebacks identified chromosomal rearrangements underlying the karyotypic differences between the two species. The high-quality chromosome-scale assembly of the nine-spined stickleback genome obtained with long-read sequencing technology provides a crucial resource for comparative and population genomic investigations of stickleback fishes and teleosts.

Scale morphology represents a fundamental feature of fish and a key evolutionary trait underlying fish diversification. Despite frequent and recurrent scale loss throughout fish diversification, comprehensive genome-wide analyses of the genomic signatures associated with scale loss in divergent fish lineages remain scarce. In the current study, we investigated genome-wide signatures, specifically convergent protein-coding gene loss, amino acid substitutions, and cis-regulatory sequence changes, associated with recurrent scale loss in two divergent Cypriniformes lineages based on large-scale genomic, transcriptomic, and epigenetic data. Results demonstrated convergent changes in many genes related to scale formation in divergent scaleless fish lineages, including loss of P/Q-rich scpp genes (e.g. scpp6 and scpp7), accelerated evolution of non-coding elements adjacent to the fgf and fgfr genes, and convergent amino acid changes in genes (e.g. snap29) under relaxed selection. Collectively, these findings highlight the existence of a shared genetic architecture underlying recurrent scale loss in divergent fish lineages, suggesting that evolutionary outcomes may be genetically repeatable and predictable in the convergence of scale loss in fish.