Female Aedes aegypti mosquitoes infect more than 400 million people each year with dangerous viral pathogens including dengue, yellow fever, Zika and chikungunya. Progress in understanding the biology of mosquitoes and developing the tools to fight them has been slowed by the lack of a high-quality genome assembly. Here we combine diverse technologies to produce the markedly improved, fully re-annotated AaegL5 genome assembly, and demonstrate how it accelerates mosquito science. We anchored physical and cytogenetic maps, doubled the number of known chemosensory ionotropic receptors that guide mosquitoes to human hosts and egg-laying sites, provided further insight into the size and composition of the sex-determining M locus, and revealed copy-number variation among glutathione S-transferase genes that are important for insecticide resistance. Using high-resolution quantitative trait locus and population genomic analyses, we mapped new candidates for dengue vector competence and insecticide resistance. AaegL5 will catalyse new biological insights and intervention strategies to fight this deadly disease vector. An improved, fully re-annotated Aedes aegypti genome assembly (AaegL5) provides insights into the sex-determining M locus, chemosensory systems that help mosquitoes to hunt humans and loci involved in insecticide resistance and will help to generate intervention strategies to fight this deadly disease vector.

Multiple sensory cues emanating from humans are thought to guide blood-feeding female mosquitoes to a host. To determine the relative contribution of carbon dioxide (CO2) detection to mosquito host-seeking behavior, we mutated the AaegGr3 gene, a subunit of the heteromeric CO2 receptor in Aedes aegypti mosquitoes. Gr3 mutants lack electrophysiological and behavioral responses to CO2. These mutants also fail to show CO2-evoked responses to heat and lactic acid, a human-derived attractant, suggesting that CO2 can gate responses to other sensory stimuli. Whereas attraction of Gr3 mutants to live humans in a large semi-field environment was only slightly impaired, responses to an animal host were greatly reduced in a spatial-scale-dependent manner. Synergistic integration of heat and odor cues likely drive host-seeking behavior in the absence of CO2 detection. We reveal a networked series of interactions by which multimodal integration of CO2, human odor, and heat orchestrates mosquito attraction to humans.

The mosquito Aedes aegypti is a potent vector of the chikungunya, yellow fever, and dengue viruses, responsible for hundreds of millions of infections and over 50,000 human deaths per year. Mutagenesis in Ae. aegypti has been established with TALENs, ZFNs, and homing endonucleases, which require the engineering of DNA-binding protein domains to provide genomic target sequence specificity. Here, we describe the use of the CRISPR-Cas9 system to generate site-specific mutations in Ae. aegypti. This system relies on RNA-DNA base-pairing to generate targeting specificity, resulting in efficient and flexible genome-editing reagents. We investigate the efficiency of injection mix compositions, demonstrate the ability of CRISPR-Cas9 to generate different types of mutations via disparate repair mechanisms, and report stable germline mutations in several genomic loci. This work offers a detailed exploration into the use of CRISPR-Cas9 in Ae. aegypti that should be applicable to non-model organisms previously out of reach of genetic modification.

Dendrites distinguish between sister branches and those of other cells. Self-recognition can often lead to repulsion, a process termed “self-avoidance.” Here we demonstrate that dendrite self-avoidance in Drosophila da sensory neurons requires cell-recognition molecules encoded by the Dscam locus. By alternative splicing, Dscam encodes a vast number of cell-surface proteins of the immunoglobulin superfamily. We demonstrate that interactions between identical Dscam isoforms on the cell surface underlie self-recognition, while the cytoplasmic tail converts this recognition to dendrite repulsion. Sister dendrites expressing the same isoforms engage in homophilic repulsion. By contrast, Dscam diversity ensures that inappropriate repulsive interactions between dendrites sharing the same receptive field do not occur. The selectivity of Dscam-mediated cell interactions is likely to be widely important in the developing fly nervous system, where processes of cells must distinguish between self and nonself during the construction of neural circuits.

Female Aedes aegypti mosquitoes infect hundreds of millions of people each year with dangerous viral pathogens including dengue, yellow fever, Zika, and chikungunya. Progress in understanding the biology of this insect, and developing tools to fight it, has been slowed by the lack of a high-quality genome assembly. Here we combine diverse genome technologies to produce AaegL5, a dramatically improved and annotated assembly, and demonstrate how it accelerates mosquito science and control. We anchored the physical and cytogenetic maps, resolved the size and composition of the elusive sex-determining “M locus”, significantly increased the known members of the glutathione-S-transferase genes important for insecticide resistance, and doubled the number of chemosensory ionotropic receptors that guide mosquitoes to human hosts and egg-laying sites. Using high-resolution QTL and population genomic analyses, we mapped new candidates for dengue vector competence and insecticide resistance. We predict that AaegL5 will catalyse new biological insights and intervention strategies to fight this deadly arboviral vector.

Abstract A globally invasive form of the mosquito Aedes aegypti specializes in biting humans, making it an efficient vector of dengue, yellow fever, Zika, and chikungunya viruses. Host-seeking females strongly prefer human odour over the odour of non-human animals, but exactly how they distinguish the two is not known. Vertebrate odours are complex blends of volatile chemicals with many shared components, making discrimination an interesting sensory coding challenge. Here we show that human and animal odour blends evoke activity in unique combinations of olfactory glomeruli within the Aedes aegypti antennal lobe. Human blends consistently activate a ‘universal’ glomerulus, which is equally responsive to diverse animal and nectar-related blends, and a more selective ‘human-sensitive’ glomerulus. This dual signal robustly distinguishes humans from animals across concentrations, individual humans, and diverse animal species. Remarkably, the human-sensitive glomerulus is narrowly tuned to the long-chain aldehydes decanal and undecanal, which we show are consistently enriched in (though not specific to) human odour and which likely originate from unique human skin lipids. We propose a model of host-odour coding wherein normalization of activity in the human-sensitive glomerulus by that in the broadly-tuned universal glomerulus generates a robust discriminatory signal of the relative concentration of long-chain aldehydes in a host odour blend. Our work demonstrates how animal brains may distil complex odour stimuli of innate biological relevance into simple neural codes and reveals novel targets for the design of next-generation mosquito-control strategies.

Life inside ant colonies is orchestrated with a diverse set of pheromones, but it is not clear how ants perceive these social cues. It has been proposed that pheromone perception in ants evolved via expansions in the numbers of odorant receptors (ORs) and antennal lobe glomeruli. Here we generate the first mutant lines in ants by disrupting orco , a gene required for the function of all ORs. We find that orco mutants exhibit severe deficiencies in social behavior and fitness, suggesting that they are unable to perceive pheromones. Surprisingly, unlike in Drosophila melanogaster , orco mutant ants also lack most of the approximately 500 antennal lobe glomeruli found in wild-types. These results illustrate that ORs are essential for ant social organization, and raise the possibility that, similar to mammals, receptor function is required for the development and/or maintenance of the highly complex olfactory processing areas in the ant brain.

The coastal rock pool mosquito, Aedes togoi , is found in coastal east Asia in climates ranging from subtropical to subarctic. However, a disjunct population in the Pacific Northwest of North America has an ambiguous heritage. Two potential models explain the presence of Ae. togoi in North America: ancient Beringian dispersal or modern anthropogenic introduction. Genetic studies have thus far proved inconclusive. Here we described the putative ancient distribution of Ae. togoi habitat in east Asia and examined the climatic feasibility of a Beringian introduction into North America using modern distribution records and ecological niche modeling of bioclimatic data from the last interglacial period (~120,000 BP), the last glacial maximum (~21,000 BP), and the mid-Holocene (~6000 BP). Our results suggest that suitable climatic conditions existed for Ae. togoi to arrive in North America through natural dispersal as well as to persist there until present times. Furthermore, we find that ancient distributions of suitable Ae. togoi habitat in east Asia may explain the genetic relationships between Ae. togoi populations identified in other studies. These findings indicate the utility of ecological niche modeling as a complementary tool for studying insect phylogeography.

The mosquito Aedes aegypti is a potent vector of the Chikungunya, yellow fever, and Dengue viruses, which result in hundreds of millions of infections and over 50,000 human deaths per year. Loss-of-function mutagenesis in Ae. aegypti has been established with TALENs, ZFNs, and homing endonucleases, which require the engineering of DNA-binding protein domains to generate target specificity for a particular stretch of genomic DNA. Here, we describe the first use of the CRISPR-Cas9 system to generate targeted, site-specific mutations in Ae. aegypti. CRISPR-Cas9 relies on RNA-DNA base-pairing to generate targeting specificity, resulting in cheaper, faster, and more flexible genome-editing reagents. We investigate the efficiency of reagent concentrations and compositions, demonstrate the ability of CRISPR-Cas9 to generate several different types of mutations via disparate repair mechanisms, and show that stable germ-line mutations can be readily generated at the vast majority of genomic loci tested. This work offers a detailed exploration into the optimal use of CRISPR-Cas9 in Ae. aegypti that should be applicable to non-model organisms previously out of reach of genetic modification.

Aedes aegypti mosquitoes are deadly vectors of arboviral pathogens including Zika, dengue, and yellow fever, and breed in containers of freshwater associated with human habitation. Female Ae. aegypti lay eggs near freshwater because larval and pupal stages are aquatic. They use volatile cues to locate water at a distance, while at close-range they contact water to evaluate its suitability for egg-laying. High salinity is lethal to mosquito offspring and therefore correctly laying eggs in freshwater is a crucial parenting decision made by female mosquitoes. Here we show that the DEG/ENaC channel ppk301 is required for mosquitoes to exploit freshwater egg-laying substrates. When ppk301 mutant females contact water, they do not lay eggs as readily as wild-type animals and are more likely to make aberrant decisions between freshwater and saltwater at concentrations that impair offspring survival. We used a CRISPR-Cas9-based genetic knock-in strategy combined with the Q-binary transactivator system to build genetic tools for labelling and imaging neurons in the mosquito. We found that ppk301 is expressed in sensory neurons in legs and proboscis, appendages that directly contact water, and that ppk301-expressing neurons project to central taste centres. Using in vivo calcium imaging with the genetically-encoded calcium sensor GCaMP6s, we found that ppk301-expressing cells respond to water but, unexpectedly, also to salt. This suggests that ppk301 is instructive for egg-laying at low salt concentrations but that a ppk301-independent pathway is responsible for inhibiting egg-laying at high salt concentrations. Water is a key resource for insect survival and understanding how mosquitoes interact with water to control different behaviours is an opportunity to study the evolution of chemosensory systems. The new genetic tools described here will enable direct study of not only egg-laying, but also other behaviours in mosquitoes that influence disease transmission and enable comparative studies of insect biology more broadly.