Recent studies of the routes of worldwide introductions of alien organisms suggest that many widespread invasions could have stemmed not from the native range, but from a particularly successful invasive population, which serves as the source of colonists for remote new territories. We call here this phenomenon the invasive bridgehead effect. Evaluating the likelihood of such a scenario is heuristically challenging. We solved this problem by using approximate Bayesian computation methods to quantitatively compare complex invasion scenarios based on the analysis of population genetics (microsatellite variation) and historical (first observation dates) data. We applied this approach to the Harlequin ladybird Harmonia axyridis (HA), a coccinellid native to Asia that was repeatedly introduced as a biocontrol agent without becoming established for decades. We show that the recent burst of worldwide invasions of HA followed a bridgehead scenario, in which an invasive population in eastern North America acted as the source of the colonists that invaded the European, South American and African continents, with some admixture with a biocontrol strain in Europe. This demonstration of a mechanism of invasion via a bridgehead has important implications both for invasion theory (i.e., a single evolutionary shift in the bridgehead population versus multiple changes in case of introduced populations becoming invasive independently) and for ongoing efforts to manage invasions by alien organisms (i.e., heightened vigilance against invasive bridgeheads).

A bstract The relative importance of ecological factors and species interactions for phytophagous insect species distributions has long been a controversial issue. Using field abundances of eight sympatric Tephritid fruit flies on 21 host plants, we inferred flies’ realized niches using joint species distribution modelling and network inference, on the community as a whole and separately on three groups of host plants. These inferences were then confronted to flies’ fundamental niches estimated through laboratory-measured fitnesses on host plants. Species abundances were mainly determined by host plants followed by climatic factors, with a minor role for competition between species sharing host plants. The relative importance of these factors mildly changed when we focused on particular host plant groups. Despite overlapping fundamental niches, specialists and generalists had almost distinct realized niches, with possible competitive exclusion of generalists by specialists on Cucurbitaceae, and different assembly rules: specialists were mainly influenced by their adaptation to host plants while generalist abundances varied regardless of their fundamental host use.

Evidence is accumulating that evolutionary changes are not only common during biological invasions but may also contribute directly to invasion success. The genomic basis of such changes is still largely unexplored. Yet, understanding the genomic response to invasion may help to predict the conditions under which invasiveness can be enhanced or suppressed. Here we characterized the genome response of the spotted wing drosophila Drosophila suzukii during the worldwide invasion of this pest insect species, by conducting a genome-wide association study to identify genes involved in adaptive processes during invasion. Genomic data from 22 population samples were analyzed to detect genetic variants associated with the status (invasive versus native) of the sampled populations based on a newly developed statistic, we called C2 , that contrasts allele frequencies corrected for population structure. This new statistical framework has been implemented in an upgraded version of the program BayPass. We identified a relatively small set of single nucleotide polymorphisms (SNPs) that show a highly significant association with the invasive status of populations. In particular, two genes RhoGEF64C and cpo, the latter contributing to natural variation in several life-history traits (including diapause) in Drosophila melanogaster, contained SNPs significantly associated with the invasive status in the two separate main invasion routes of D. suzukii . Our methodological approaches can be applied to any other invasive species, and more generally to any evolutionary model for species characterized by non-equilibrium demographic conditions for which binary covariables of interest can be defined at the population level.

Studying the evolutionary dynamics of an alien species surviving and continuing to expand after several generations can provide fundamental information on the relevant features of clearly successful invasions. Here, we tackle this task by investigating the dynamics of the genetic diversity in invasive crested porcupine (Hystrix cristata) populations, introduced to Italy about 1500 years ago, which are still growing in size, distribution range and ecological niche. Using genome-wide RAD markers, we describe the structure of the genetic diversity and the demographic dynamics of the H. cristata invasive populations and compare their genetic diversity with that of native African populations of both H. cristata and its sister species, H. africaeaustralis. First, we demonstrate that genetic diversity is lower in both the invasive Italian and the North Africa source range relative to other native populations from Sub-Saharan and South Africa. Second, we find evidence of multiple introduction events in the invasive range followed by very limited gene flow. Through coalescence-based demographic reconstructions, we also show that the bottleneck at introduction was mild and did not affect the introduced genetic diversity. Finally, we reveal that the current spatial expansion at the northern boundary of the range is following a leading-edge model characterized by a general reduction of genetic diversity towards the edge of the expanding range. We conclude that the level of genome-wide diversity of H. cristata invasive populations is less important in explaining its successful invasion than species-specific life-history traits or the phylogeographic history in the native source range.

Many animal species are comprised of discrete phenotypic forms. Understanding the genetic mechanisms generating and maintaining such phenotypic variation within species is essential to comprehending morphological diversity. A common and conspicuous example of discrete phenotypic variation in natural populations of insects is the occurrence of different colour patterns, which has motivated a rich body of ecological and genetic research. The occurrence of dark, i.e. melanic, forms, displaying discrete colour patterns, is found across multiple taxa, but the underlying genomic basis remains poorly characterized. In numerous ladybird species (Coccinellidae), the spatial arrangement of black and orange patches on adult elytra varies wildly within species, forming strikingly different complex colour patterns. In the harlequin ladybird Harmonia axyridis, more than 200 distinct colour forms have been described, which classic genetic studies suggest result from allelic variation at a single, unknown, locus. Here, we combined whole-genome sequencing, population genomics, gene expression and functional analyses, to establish that the gene pannier controls melanic pattern polymorphism in H. axyridis. We show that pannier, which encodes an evolutionary conserved transcription factor, is necessary for the formation of melanic elements on the elytra. Allelic variation in pannier leads to protein expression in distinct domains on the elytra, and thus determines the distinct colour patterns in H. axyridis. Recombination between pannier alleles may be reduced by a highly divergent sequence of ca. 170 kb in the cis-regulatory regions of pannier with a 50 kb inversion between colour forms. This likely helps maintaining the distinct alleles found in natural populations. Thus we propose that highly variable discrete colour forms can arise in natural populations through cis-regulatory allelic variation of a single gene.

Adaptation to divergent environments can result in ecological specialization. The detection of trade-offs across environments (i.e., negative correlations in performance between different environments) is the hallmark of specialization. Although such trade-offs are predicted by theory, experimental evidence that trade-offs can readily evolve in the laboratory remains scarce. Here, we investigated the evolution of adaptation to distinct environments, including potential fitness trade-offs by maintaining populations of the generalist fruit pest, Drosophila suzukii, for 26 generations on media made with different fruits. We measured the performance and preference of each evolved population on the different fruits using reciprocal transplant experiments after five generations and at the end of our experiment. After five generations, experimental populations on most fruits had gone extinct, but they had adapted to three test fruit media, without exhibiting trade-offs. By generation 26 on these three fruits, specific adaptation to each fruit media had evolved, with trade-offs across media for some populations. The evolution of fruit-specific performance did not drive the evolution of corresponding preferences (i.e., preferences for the evolution fruit). This study suggests that ecological specialization can evolve in generalist species, even if only transiently, when hosts or habitats are heterogeneous over time and space.

The Allee effect is a theoretical model predicting low growth rates and the possible extinction of small populations. Historically, studies of the Allee effect have focused on demography. As a result, underlying processes other than the direct effect of population density on fitness components are not generally taken into account. There has been heated debate about the potential of genetic processes to drive small populations to extinction, but recent studies have shown that such processes clearly impact small populations over short time scales, and some may generate Allee effects. However, as opposed to the ecological Allee effect, which is underpinned by cooperative interactions between individuals, genetically driven Allee effects require a change in genetic structure to link the decline in population size with a decrease in fitness components. We therefore define the genetic Allee effect as a two-step process whereby a decrease in population size leads to a change in population genetic structure, and in turn, to a decrease in individual fitness. We describe potential underlying mechanisms, and review the evidence for this original type of component Allee effect, using published examples from both plants and animals. The possibility of considering demogenetic feedback in light of genetic Allee effects clarifies the analysis and interpretation of demographic and genetic processes, and the interplay between them, in small populations.

Experiments comparing native to introduced populations or distinct introduced populations to each other show that phenotypic evolution is common and often involves a suit of interacting phenotypic traits. We define such sets of traits that evolve in concert and contribute to the success of invasive populations as an "invasion syndrome". The invasive Harlequin ladybird Harmonia axyridis displays such an invasion syndrome with, for instance, females from invasive populations being larger and heavier than individuals from native populations, allocating more resources to reproduction, and spreading reproduction over a longer lifespan. Invasion syndromes could emerge due to selection acting jointly and directly on a multitude of traits, or due to selection on one or a few key traits that drive correlated indirect responses in other traits. Here, we investigated the degree to which the H. axyridis invasion syndrome would emerge in response to artificial selection on either female body mass or on age at first reproduction, two traits involved in their invasion syndrome. To further explore the interaction between environmental context and evolutionary change in molding the phenotypic response, we phenotyped the individuals from the selection experiments in two environments, one with abundant food resources and one with limited resources. The two artificial selection experiments show that the number of traits showing a correlated response depends upon the trait undergoing direct selection. Artificial selection on female body mass resulted in few correlated responses and hence poorly reproduced the invasion syndrome. In contrast, artificial selection on age at first reproduction resulted in more widespread phenotypic changes, which nevertheless corresponded only partly to the invasion syndrome. The artificial selection experiments also revealed a large impact of diet on the traits, with effects dependent on the trait considered and the selection regime. Overall, our results indicate that direct selection on multiple traits was likely necessary in the evolution of the H. axyridis invasion syndrome. Furthermore, they show the strength of using artificial selection to identify the traits that are correlated in different selective contexts, which represents a crucial first step in understanding the evolution of complex phenotypic patterns, including invasion syndromes.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.