Birds are the most species-rich class of tetrapod vertebrates and have wide relevance across many research fields. We explored bird macroevolution using full genomes from 48 avian species representing all major extant clades. The avian genome is principally characterized by its constrained size, which predominantly arose because of lineage-specific erosion of repetitive elements, large segmental deletions, and gene loss. Avian genomes furthermore show a remarkably high degree of evolutionary stasis at the levels of nucleotide sequence, gene synteny, and chromosomal structure. Despite this pattern of conservation, we detected many non-neutral evolutionary changes in protein-coding genes and noncoding regions. These analyses reveal that pan-avian genomic diversity covaries with adaptations to different lifestyles and convergent evolution of traits.

The genome of the zebra finch — a songbird and a model for the study of vertebrate brain, behaviour and evolution — has been sequenced. Its comparison with the chicken genome, the only other bird genome available, shows that genes with neural function and implicated in cognitive processing of song have been rapidly evolving in the finch lineage. The study also shows that vocal communication engages much of the zebra finch brain transcriptome and identifies a potential integrator of microRNA signals linked to vocal communication. The genome of the zebra finch — a songbird and a model for studying the vertebrate brain, behaviour and evolution — has been sequenced. Comparison with the chicken genome, the only other bird genome available, shows that genes that have neural function and are implicated in the cognitive processing of song have been evolving rapidly in the finch lineage. Moreover, vocal communication engages much of the transcriptome of the zebra finch brain. The zebra finch is an important model organism in several fields1,2 with unique relevance to human neuroscience3,4. Like other songbirds, the zebra finch communicates through learned vocalizations, an ability otherwise documented only in humans and a few other animals and lacking in the chicken5—the only bird with a sequenced genome until now6. Here we present a structural, functional and comparative analysis of the genome sequence of the zebra finch (Taeniopygia guttata), which is a songbird belonging to the large avian order Passeriformes7. We find that the overall structures of the genomes are similar in zebra finch and chicken, but they differ in many intrachromosomal rearrangements, lineage-specific gene family expansions, the number of long-terminal-repeat-based retrotransposons, and mechanisms of sex chromosome dosage compensation. We show that song behaviour engages gene regulatory networks in the zebra finch brain, altering the expression of long non-coding RNAs, microRNAs, transcription factors and their targets. We also show evidence for rapid molecular evolution in the songbird lineage of genes that are regulated during song experience. These results indicate an active involvement of the genome in neural processes underlying vocal communication and identify potential genetic substrates for the evolution and regulation of this behaviour.

Song-learning birds and humans share independently evolved similarities in brain pathways for vocal learning that are essential for song and speech and are not found in most other species. Comparisons of brain transcriptomes of song-learning birds and humans relative to vocal nonlearners identified convergent gene expression specializations in specific song and speech brain regions of avian vocal learners and humans. The strongest shared profiles relate bird motor and striatal song-learning nuclei, respectively, with human laryngeal motor cortex and parts of the striatum that control speech production and learning. Most of the associated genes function in motor control and brain connectivity. Thus, convergent behavior and neural connectivity for a complex trait are associated with convergent specialized expression of multiple genes.