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Phylogenomics, introgression, and demographic history of South American true toads (Rhinella)

Citation

Rivera, Danielle et al. (2021), Phylogenomics, introgression, and demographic history of South American true toads (Rhinella), Dryad, Dataset, https://doi.org/10.5061/dryad.7pvmcvdtp

Abstract

The effects of genetic introgression on species boundaries and how they affect species’ integrity and persistence over evolutionary time have received increased attention. The increasing availability of genomic data has revealed contrasting patterns of gene flow across genomic regions, which impose challenges to inferences of evolutionary relationships and of patterns of genetic admixture across lineages. By characterizing patterns of variation across thousands of genomic loci in a widespread complex of true toads (Rhinella), we assess the true extent of genetic introgression across species thought to hybridize to extreme degrees based on natural history observations and multi-locus analyses. Comprehensive geographic sampling of five large-ranged Neotropical taxa revealed multiple distinct evolutionary lineages that span large geographic areas and, at times, distinct biomes. The inferred major clades and genetic clusters largely correspond to currently recognized taxa; however, we also found evidence of cryptic diversity within taxa. While previous phylogenetic studies revealed extensive mito-nuclear discordance, our genetic clustering analyses uncovered several admixed individuals within major genetic groups. Accordingly, historical demographic analyses supported that the evolutionary history of these toads involved cross-taxon gene flow both at ancient and recent times. Lastly, ABBA-BABA tests revealed widespread allele sharing across species boundaries, a pattern that can be confidently attributed to genetic introgression as opposed to incomplete lineage sorting. These results confirm previous assertions that the evolutionary history of Rhinella was characterized by various levels of hybridization even across environmentally heterogeneous regions, posing exciting questions about what factors prevent complete fusion of diverging yet highly interdependent evolutionary lineages.

Uma atenção crescente tem sido dada aos efeitos da introgressão genética nos limites das espécies e como eles afetam a integridade e a persistência das espécies ao longo do tempo evolutivo. A crescente disponibilidade de dados genômicos revelou padrões contrastantes de fluxo gênico entre regiões do genoma, o que impõe desafios às inferências de relações evolutivas e de padrões de mistura genética entre linhagens. Com base em padrões de variação em milhares de marcadores genômicos em um complexo amplamente distribuído de sapos (Rhinella), avaliamos a extensão de introgressão genética entre espécies que, acredita-se, hibridizam amplamente com base em observações de história natural e análises multi-locus. Nossa amostragem geográfica abrangente de cinco táxons neotropicais revelou várias linhagens evolutivas distintas que abrangem grandes áreas geográficas e, por vezes, biomas distintos. Os principais clados e grupos genéticos inferidos correspondem em grande parte aos táxons atualmente reconhecidos; no entanto, também encontramos evidência de diversidade críptica. De acordo com estudos filogenéticos anteriores que revelaram extensa discordância mitonuclear, nossas análises de agrupamento genético revelaram vários indivíduos geneticamente misturados. Adicionalmente, análises demográficas históricas sugerem que a história evolutiva desses sapos envolveu fluxo gênico entre táxons tanto em épocas antigas quanto recentes. Por fim, testes ABBA-BABA revelaram amplo compartilhamento de alelos entre espécies, um padrão que pode ser atribuído à introgressão genética ao invés de sorteamento incompleto de alelos entre linhagens. Esses resultados confirmam sugestões anteriores de que a história evolutiva de Rhinella foi caracterizada por vários níveis de hibridização, mesmo entre ambientes distintos, levantando questões sobre quais fatores impedem a fusão completa de linhagens evolutivas divergentes porém altamente interdependentes.

Methods

Genomic DNA was extracted, amphified, and sequenced using 16S-specific primers, and used to generate an .xml file to run a time-calibrated phylogeny in BEAST. All other data files were generated with double-digest restriction site-associated DNA sequence (ddRADseq) data. Briefly, ddRADseq libraries were generated using SbfI and MspI restriction enzymes, tagging fragments with individual barcodes at the University of Texas at Arlington. Libraries were then sequenced on a single lane on an Illumina HiSeq 2500 platform. The resulting data was demultiplexed using ipyrad, which generated input files for the programs used in this analysis.

Funding

National Science Foundation, Award: DEB 1343578

National Science Foundation, Award: DEB 1754398

National Science Foundation, Award: GRFP

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, Award: BIOTA 2013/50297-0

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, Award: 2003/10335-8

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, Award: 2011/50146-6

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, Award: 2011/50206‐9

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, Award: 2012/15754-8

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, Award: 2017/08357-6