The population genetic perspective is that the processes shaping genomic variation can be revealed only through simultaneous investigation of sequence polymorphism and divergence within and between closely related species. Here we present a population genetic analysis of Drosophila simulans based on whole-genome shotgun sequencing of multiple inbred lines and comparison of the resulting data to genome assemblies of the closely related species, D. melanogaster and D. yakuba. We discovered previously unknown, large-scale fluctuations of polymorphism and divergence along chromosome arms, and significantly less polymorphism and faster divergence on the X chromosome. We generated a comprehensive list of functional elements in the D. simulans genome influenced by adaptive evolution. Finally, we characterized genomic patterns of base composition for coding and noncoding sequence. These results suggest several new hypotheses regarding the genetic and biological mechanisms controlling polymorphism and divergence across the Drosophila genome, and provide a rich resource for the investigation of adaptive evolution and functional variation in D. simulans.

This report of independent genome sequences of two natural populations of Drosophila melanogaster (37 from North America and 6 from Africa) provides unique insight into forces shaping genomic polymorphism and divergence. Evidence of interactions between natural selection and genetic linkage is abundant not only in centromere- and telomere-proximal regions, but also throughout the euchromatic arms. Linkage disequilibrium, which decays within 1 kbp, exhibits a strong bias toward coupling of the more frequent alleles and provides a high-resolution map of recombination rate. The juxtaposition of population genetics statistics in small genomic windows with gene structures and chromatin states yields a rich, high-resolution annotation, including the following: (1) 5'- and 3'-UTRs are enriched for regions of reduced polymorphism relative to lineage-specific divergence; (2) exons overlap with windows of excess relative polymorphism; (3) epigenetic marks associated with active transcription initiation sites overlap with regions of reduced relative polymorphism and relatively reduced estimates of the rate of recombination; (4) the rate of adaptive nonsynonymous fixation increases with the rate of crossing over per base pair; and (5) both duplications and deletions are enriched near origins of replication and their density correlates negatively with the rate of crossing over. Available demographic models of X and autosome descent cannot account for the increased divergence on the X and loss of diversity associated with the out-of-Africa migration. Comparison of the variation among these genomes to variation among genomes from D. simulans suggests that many targets of directional selection are shared between these species.