Maximum lifespan of a species is the oldest that individuals can survive, reflecting the genetic limit of longevity in an ideal environment. Here we report methylation-based models that accurately predict maximum lifespan (r=0.89), gestational time (r=0.96), and age at sexual maturity (r=0.87), using cytosine methylation patterns collected from over 12,000 samples derived from 192 mammalian species. Our epigenetic maximum lifespan predictor corroborated the extended lifespan in growth hormone receptor knockout mice and rapamycin treated mice. Across dog breeds, epigenetic maximum lifespan correlates positively with breed lifespan but negatively with breed size. Lifespan-related cytosines are located in transcriptional regulatory regions, such as bivalent chromatin promoters and polycomb-repressed regions, which were hypomethylated in long-lived species. The epigenetic estimators of maximum lifespan and other life history traits will be useful for characterizing understudied species and for identifying interventions that extend lifespan.

Summary Epigenetics has hitherto been studied and understood largely at the level of individual organisms. Here, we report a multi-faceted investigation of DNA methylation across 11,117 samples from 176 different species. We performed an unbiased clustering of individual cytosines into 55 modules and identified 31 modules related to primary traits including age, species lifespan, sex, adult species weight, tissue type and phylogenetic order. Analysis of the correlation between DNA methylation and species allowed us to construct phyloepigenetic trees for different tissues that parallel the phylogenetic tree. In addition, while some stable cytosines reflect phylogenetic signatures, others relate to age and lifespan, and in many cases responding to anti-aging interventions in mice such as caloric restriction and ablation of growth hormone receptors. Insights uncovered by this investigation have important implications for our understanding of the role of epigenetics in mammalian evolution, aging and lifespan.

ABSTRACT Several previous studies have described epigenetic clocks for whale and dolphin species. Here we present a novel and highly robust epigenetic clock for the humpback whale based on methylation levels measured using the Mammalian Methylation Array platform. Skin samples were obtained from 76 individuals that had been studied since their birth year and known to range in age from <1 to 39.5 years. The humpback whale clock provided a highly accurate estimate of chronological age (R=0.96, median error 2.2 years) according to a leave-one-out cross validation analysis. We applied this clock to an independent set of samples from humpback whales of unknown exact age but with sighting histories that were as long as or longer than the upper 20% of the available known-age range. Although there was a strong correlation with minimum age (R=0.89), the clock underestimated age in these older animals by a median error of at least 7.8 years. Finally, we applied the humpback clock to publicly available methylation data from beluga whales. In this data set from a different species, the humpback clock provided an age correlation of R=0.78. While a DNAm age estimator has previously been described for humpback whales, this is the first such clock shown to apply to another cetacean species as well. Our humpback whale clock built from well-studied population lends itself for understanding humpback populations that otherwise lack age data.

Abstract Highly polymorphic single tandem repeat loci (STR, also known as microsatellite loci) remain a familiar, cost efficient class of markers for genetic analyses in ecology, behavior and conservation. We characterize a new universal set of ten STR loci (from 28 potential candidate loci) in seven baleen whale species, which are optimized for PCR amplification in two multiplex reactions along with a Y chromosome marker for sex determination. The optimized, universal set of STR loci provides an ideal starting point for new studies in baleen whales aimed at individual-based and population genetic studies, and facilitates data sharing among research groups. Data from the new STR loci were combined with genotypes from other published STR loci to assess the power to assign parentage (paternity) using exclusion in four species: fin whales, humpback whales, blue whales and bowhead whales. We argue that parentage studies should present a power analysis to demonstrate that the specific data are sufficiently informative to assign parentage with statistical rigor.

Abstract Heteroplasmy is the presence of two or more organellar genomes (mitochondrial or plastid DNA) in an organism, tissue, cell or organelle. Heteroplasmy can be detected by visual inspection of Sanger sequencing chromatograms, where it appears as multiple peaks of fluorescence at a single nucleotide position. Visual inspection of chromatograms is both consuming and highly subjective, as heteroplasmy is difficult to differentiate from background noise. Few software solutions are available to automate the detection of point heteroplasmies, and those that are available are typically proprietary, lack customization or are unsuitable for automated heteroplasmy assessment in large datasets. Here, we present PHFinder, a Python-based, open source tool to assist in the detection of point heteroplasmies in large numbers of Sanger chromatograms. PHFinder automatically identifies point heteroplasmies directly from the chromatogram trace data. The program was tested with Sanger sequencing data from 100 humpback whale ( Megaptera novaeangliae ) tissue samples with known heteroplasmies. PHFinder detected most (90%) of the known heteroplasmies thereby greatly reducing the amount of visual inspection required. PHFinder is flexible, enabling explicit specification of key parameters to infer double peaks (i.e., heteroplasmies).

Abstract Current low germline mutation rate ( μ ) estimates in baleen whales have greatly influenced research ranging from assessments of whaling impacts to evolutionary cancer biology. However, the reported rates were subject to methodological errors and uncertainty. We estimated μ directly from pedigrees in natural populations of four baleen whale species and the results were similar to primates. The implications of revised μ values include pre-exploitation population sizes at 14% of previous genetic diversity-based estimates and the conclusion that μ in itself is insufficient to explain low cancer rates in gigantic mammals (i.e., Peto’s Paradox). We demonstrate the feasibility of estimating μ from whole genome pedigree data in natural populations, which has wide-ranging implications for the many ecological and evolutionary inferences that rely on μ.

Abstract Whales are long-lived, slow-reproducing species that were decimated by commercial whaling. Although some populations seem close to recovery, others are challenging to assess. We studied humpback whales ( Megaptera novaeangliae ) in the Gulf of Maine, an area of the North Atlantic (NA) with well-documented threats. Long-term studies and mark-recapture data were used to estimate humpback whale apparent survival, abundance and population growth from 2000 through 2019. Estimates were derived from a hierarchical, Bayesian state-space model with sex, age, and random time effects on survival while accounting for individual capture probability. Abundance increased from 744 (95% CI: 726-762) in 2000 to 1,706 (95% CI: 1,639-1,771) in 2019, with 4.6% mean annual growth. However, adult males exhibited higher survival and outnumbered adult females by the end of the study. Over time, fewer calves were observed, calf survival varied and the juvenile class declined. These are rare insights into the dynamics underlying whale abundance trends and they revealed similarities to an endangered species that is declining due to environmental and human impacts. The results inform a listing change under the U.S. Endangered Species Act, a mortality event of unprecedented magnitude off the U.S and humpback whale recovery from historical whaling in the NA.

Studying sound production at different developmental stages can provide insight into the processes involved in vocal ontogeny. Humpback whales ( Megaptera novaeangliae) are a known vocal learning species, but their vocal development is poorly understood. While studies of humpback whale calves in the early stages of their lives on the breeding grounds and migration routes exist, little is known about the behavior of these immature, dependent animals by the time they reach the feeding grounds. In this study, we used data from groups of North Atlantic humpback whales in the Gulf of Maine in which all members were simultaneously carrying acoustic recording tags attached with suction cups. This allowed for assignment of likely caller identity using the relative received levels of calls across tags. We analyzed data from 3 calves and 13 adults. There were high levels of call rate variation among these individuals and the results represent preliminary descriptions of calf behavior. Our analysis suggests that, in contrast to the breeding grounds or on migration, calves are no longer acoustically cryptic by the time they reach their feeding ground. Calves and adults both produce calls in bouts, but there may be some differences in bout parameters like inter-call intervals and bout durations. Calves were able to produce most of the adult vocal repertoire but used different call types in different proportions. Finally, we found evidence of immature call types in calves, akin to protosyllables used in babbling in other mammals, including humans. Overall, the sound production of humpback whale calves on the feeding grounds appears to be already similar to that of adults, but with differences in line with ontogenetic changes observed in other vocal learning species.

Acoustic recording tags are biologging tools that provide fine scale data linking acoustic signaling with individual behavior; however, when an animal is in a group, it is challenging to tease apart calls of other conspecifics and identify which individuals produce each call. This, in turn, prohibits robust assessment of individual acoustic behavior including call rates and silent periods, call bout production within and between individuals, and caller location. To overcome this challenge, we simultaneously instrumented small groups of humpback whales on a western North Atlantic feeding ground with sound and movement recording tags. This simultaneous tagging approach enabled us to compare the relative amplitude of each call across individuals and infer caller identity though amplitude differences. Focusing on periods when the tagged animals were isolated from other conspecifics, we were able to assign caller ID for 97% of calls in this dataset. From these labeled calls, we found that humpback whale individual call rates are highly variable across individuals and groups (0-89 calls/h), with calls produced throughout the water column and in bouts with short inter-call intervals (ICI = 2.2 s). Most calls received a likely response from a conspecific within 100 s. These results are important for modelling signal detection range for passive acoustic monitoring and density estimation. Future studies can expand on these methods for caller identification and further investigate the nature of sequence production and counter-calling in humpback whale social calls. Finally, this approach can be helpful for understanding intra-group communication in social groups across other taxa.

Although killer whale (Orcinus orca) predation on humpback whales (Megaptera novaeangliae) is rarely witnessed, resultant scars on humpback flukes provide evidence of non-lethal interactions. Humpback whale photo-identification catalogs from the North Atlantic were used to evaluate humpback flukes (n = 10,957) for the presence and severity of killer whale scarification (e.g., rake marks, teeth indentations, missing tissue). Flukes were coded as none, light, moderate, or severe based on the extent of scarring. Even with increased sample sizes, especially for Norway and Iceland, the distribution of high-latitude humpbacks with killer whale scarring was consistent with prior studies: Atlantic Canada (21.7%), West Greenland (15.5%), Gulf of Maine (13.5%), Iceland (combined with East Greenland, 9.3%), and Norway (7.9%). For the first time, scarring rates are presented based on data from Ireland, Scotland, and England (11.0%) as well. Scarring frequencies generally differed between the eastern and western North Atlantic despite the co-occurrence of all migrating humpbacks in low-latitude breeding grounds, suggesting the occurrence of killer whale interactions in the distinct feeding grounds or along northward migration routes. While it was not possible to determine exactly where these interactions took place, the likelihood of a killer whale encounter and subsequent scar acquisition was greatest for humpbacks that feed in Atlantic Canada.