Here we report the genome sequence of the honeybee Apis mellifera, a key model for social behaviour and essential to global ecology through pollination. Compared with other sequenced insect genomes, the A. mellifera genome has high A+T and CpG contents, lacks major transposon families, evolves more slowly, and is more similar to vertebrates for circadian rhythm, RNA interference and DNA methylation genes, among others. Furthermore, A. mellifera has fewer genes for innate immunity, detoxification enzymes, cuticle-forming proteins and gustatory receptors, more genes for odorant receptors, and novel genes for nectar and pollen utilization, consistent with its ecology and social organization. Compared to Drosophila, genes in early developmental pathways differ in Apis, whereas similarities exist for functions that differ markedly, such as sex determination, brain function and behaviour. Population genetics suggests a novel African origin for the species A. mellifera and insights into whether Africanized bees spread throughout the New World via hybridization or displacement.

Abstract Tardigrades are able to tolerate almost complete dehydration by entering a reversible ametabolic state called anhydrobiosis and resume their animation upon rehydration. Dehydrated tardigrades are exceptionally stable and withstand various physical extremes. Although trehalose and late embryogenesis abundant (LEA) proteins have been extensively studied as potent protectants against dehydration in other anhydrobiotic organisms, tardigrades produce high amounts of tardigrade-unique protective proteins. Cytoplasmic-abundant heat-soluble (CAHS) proteins are uniquely invented in the lineage of eutardigrades, a major class of the phylum Tardigrada and are essential for their anhydrobiotic survival. However, the precise mechanisms of their action in this protective role are not fully understood. In the present study, we first postulated the presence of tolerance proteins that form protective condensates via phase separation in a stress-dependent manner and searched for tardigrade proteins that reversibly form condensates upon dehydration-like stress. Through comprehensive analysis, we identified 336 such proteins, collectively dubbed “Desolvataion-induced ReversiblY condensing Proteins (DRYPs)”. Unexpectedly, we rediscovered CAHS proteins as highly enriched in DRYPs, 3 of which were major components of DRYPs. We revealed that these CAHS proteins reversibly polymerize into many cytoskeleton-like filaments depending on hyperosmotic stress in cultured cells and undergo reversible gel-transition in vitro . CAHS filamentation increases cell stiffness to resist deformation and improves resistance to dehydration-like stress. The conserved putative helical C-terminal region is necessary and sufficient for filament formation by CAHS proteins, and mutations disrupting the secondary structure of this region impaired both the filament formation and the gel transition. On the basis of these results, we propose that CAHS proteins are novel cytoskeletal proteins that form filamentous networks and undergo gel-transition in a stress-dependent manner to provide on-demand physical stabilization of cell integrity against deformative forces during dehydration and also contribute to the exceptional physical stability in a dehydrated state.

Abstract Tardigrades are small aquatic invertebrates known for their remarkable tolerance to diverse extreme stresses. To elucidate the in vivo mechanisms underlying this extraordinary resilience, the genetic manipulation methods in tardigrades have long been desired. Despite our prior success in somatic cell gene-editing by microinjecting Cas9 ribonucleoproteins (RNPs) into the body cavity of tardigrades, the generation of gene-edited individuals remained elusive. In this study, employing an extremotolerant parthenogenetic tardigrade species, Ramazzottius varieornatus , we established conditions conductive to generating gene-edited tardigrade individuals. Drawing inspiration from the direct parental CRIPSR (DIPA-CRISPR) technique employed in several insects, we simply injected a concentrated Cas9 RNP solution into the body cavity of parental females shortly before their initial oviposition. This approach yielded gene-edited G0 progeny. Notably, only a single allele was predominantly detected at the target locus for each G0 individual, indicative of homozygous mutations. Through co-injecting single-stranded oligodeoxynucleotides (ssODNs) with Cas9 RNPs, we achieved the generation of homozygously knocked-in G0 progeny and these edited-alleles were inherited by G1/G2 progeny. This establishment of a simple method for generating homozygous knock-out/knock-in individuals not only facilitates in vivo analyses of molecular mechanisms underpinning extreme tolerance but also opens avenues for exploring various topics, including Evo-Devo, in tardigrades.

Tardigrades are small aquatic invertebrates known for their remarkable tolerance to diverse extreme stresses. To elucidate the in vivo mechanisms underlying this extraordinary resilience, methods for genetically manipulating tardigrades have long been desired. Despite our prior success in somatic cell gene editing by microinjecting Cas9 ribonucleoproteins (RNPs) into the body cavity of tardigrades, the generation of gene-edited individuals remained elusive. In this study, employing an extremotolerant parthenogenetic tardigrade species, Ramazzottius varieornatus , we established conditions that led to the generation of gene-edited tardigrade individuals. Drawing inspiration from the direct parental CRISPR (DIPA-CRISPR) technique employed in several insects, we simply injected a concentrated Cas9 RNP solution into the body cavity of parental females shortly before their initial oviposition. This approach yielded gene-edited G 0 progeny. Notably, only a single allele was predominantly detected at the target locus for each G 0 individual, indicative of homozygous mutations. By co-injecting single-stranded oligodeoxynucleotides (ssODNs) with Cas9 RNPs, we achieved the generation of homozygously knocked-in G 0 progeny, and these edited alleles were inherited by G 1 /G 2 progeny. This is the first example of heritable gene editing in the entire phylum of Tardigrada. This establishment of a straightforward method for generating homozygous knockout/knock-in individuals not only facilitates in vivo analyses of the molecular mechanisms underpinning extreme tolerance, but also opens up avenues for exploring various topics, including Evo-Devo, in tardigrades.

Abstract Background In gonochoristic animals, the sex determination pathway induces different morphological and behavioral features that can be observed between sexes, a condition known as sexual dimorphism. While many components of this sex differentiation cascade show high levels of diversity, factors such as the Doublesex-Mab-3-Related Transcription factor (DMRT) are widely conserved across animal taxa. Species of the phylum Tardigrada exhibit remarkable diversity in morphology and behavior between sexes, suggesting a pathway regulating this dimorphism. Despite the wealth of genomic and zoological knowledge accumulated in recent studies, the sexual differences in tardigrades genomes have not been identified. In the present study, we focused on the gonochoristic species Paramacrobiotus metropolitanus and employed omics analyses to unravel the molecular basis of sexual dimorphism. Results Transcriptome analysis between sex-identified specimens revealed numerous differentially expressed genes, of which approximately 2,000 male-biased genes were focused on 29 non-male-specific genomic loci. From these regions, we identified two Macrobiotidae family specific DMRT paralogs, which were significantly upregulated in males and lacked sex specific splicing variants. Furthermore, phylogenetic analysis indicated all tardigrade genomes lack the doublesex ortholog, suggesting doublesex emerged after the divergence of Tardigrada. In contrast to sex-specific expression, no evidence of genomic differences between the sexes was found. We also identified several anhydrobiosis genes that exhibit sex-biased expression, suggesting a possible mechanism for protection of sex-specific tissues against extreme stress. Conclusions This study provides a comprehensive analysis for analyzing the genetic differences between sexes in tardigrades. The existence of male-biased, but not male-specific, genomic loci and identification of the family specific male-biased DMRT subfamily provides the foundation for understanding the sex determination cascade. In addition, sex-biased expression of several tardigrade-specific genes which are involved their stress tolerance suggests a potential role in protecting sex-specific tissue and gametes.

Tardigrades can survive hostile environments such as desiccation by adopting a state of anhydrobiosis. Numerous tardigrade species have been described thus far, and recent genome and transcriptome analyses revealed that several distinct strategies were employed to cope with harsh environments depending on the evolutionary lineages. Detailed analyses at the cellular and subcellular levels are essential to complete these data. In this work, we analyzed a tardigrade species that can withstand rapid dehydration, Ramazzottius varieornatus . Surprisingly, we noted an absence of the anhydrobiotic-specific extracellular structure previously described for the Hypsibius exemplaris species. Both Ramazzottius varieornatus and Hypsibius exemplaris belong to the same evolutionary class of Eutardigrada. Nevertheless, our observations reveal discrepancies in the anhydrobiotic structures correlated with the variation in the anhydrobiotic mechanisms.

Tardigrada, a phylum of meiofaunal organisms, have been at the center of discussions of the evolution of Metazoa, the biology of survival in extreme environments, and the role of horizontal gene transfer in animal evolution. Tardigrada are placed as sisters to Arthropoda and Onychophora (velvet worms) in the superphylum Panarthropoda by morphological analyses, but many molecular phylogenies fail to recover this relationship. This tension between molecular and morphological understanding may be very revealing of the mode and patterns of evolution of major groups. Limno-terrestrial tardigrades display extreme cryptobiotic abilities, including anhydrobiosis and cryobiosis, as do bdelloid rotifers, nematodes and other animals of the water film. These extremophile behaviors challenge understanding of normal, aqueous physiology: how does a multicellular organism avoid lethal cellular collapse in the absence of liquid water? Meiofaunal species have been reported to have elevated levels of HGT events, but how important this is in evolution, and particularly in the evolution of extremophile physiology, is unclear. To address these questions, we resequenced and reassembled the genome of Hypsibius dujardini, a limno-terrestrial tardigrade that can undergo anhydrobiosis only after extensive pre-exposure to drying conditions, and compared it to the genome of Ramazzottius varieornatus, a related species with tolerance to rapid desiccation. The two species had contrasting gene expression responses to anhydrobiosis, with major transcriptional change in H. dujardini but limited regulation in R. varieornatus. We identified few horizontally transferred genes, but some of these were shown to be involved in entry into anhydrobiosis. Whole-genome molecular phylogenies supported a Tardigrada+Nematoda relationship over Tardigrada+Arthropoda, but rare genomic changes tended to support Tardigrada+Arthropoda.

Background In gonochoristic animals, the sex determination pathway induces different morphological and behavioral features that can be observed between sexes, a condition known as sexual dimorphism. While many components of this sex differentiation cascade shows high levels of diversity, factors such as the Doublesex-Mab-3-related transcription factor (DMRT) are highly conserved throughout animals. Species of the phylum Tardigrada exhibits remarkable diversity in morphology and behavior between sexes, suggesting a pathway regulating such dimorphism. Despite the wealth of genomic and zoological knowledge accumulated in recent studies, the sexual differences in tardigrades genomes have not been identified. In this study, we focused on the gonochoristic species Paramacrobiotus metropolitanus and employed omics analyses to unravel the molecular basis of sexual dimorphism. Results Transcriptome analysis between sex identified numerous differentially expressed genes, of which approximately 2,000 male-biased genes were focused on 29 non-male-specific genomic loci. From these regions, we identified two Macrobiotidae family specific DMRT paralogs, which were significantly upregulated in males and lacked sex specific splicing variants. Furthermore, phylogenetic analysis indicated all tardigrade genomes lacks the doublesex ortholog, suggesting doublesex emerged after the divergence of Tardigrada. In contrast to sex-specific expression, no evidence of genomic difference between the sexes were found. We also identified several anhydrobiosis genes exhibiting sex-biased expression, possibly suggesting a mechanism for protection of sex specific tissues against extreme stress. Conclusions This study provides a comprehensive analysis for analyzing the genetic differences between sexes in tardigrades. The existence of male-biased, but not male-specific, genomic loci and identification of the family specific male-biased DMRT subfamily would provide the foundation for understanding the sex determination cascade. In addition, sex-biased expression of several tardigrade-specific genes which are involved their stress tolerance suggests a potential role in protecting sex-specific tissue and gametes.

Tardigrades are small metazoans renowned for their exceptional tolerance against various harsh environments in a dehydrated state. Some species exhibited an extraordinary tolerance against high-dose irradiation even in a hydrated state. Given that natural sources of high radiation are rare, the selective pressure to obtain such a high radiotolerance during evolution remains elusive. It has been postulated that high radiation tolerances could be derived from adaptation to dehydration, because both dehydration and radiation cause similar damage on biomolecules at least partly, e.g., DNA cleavage and oxidation of various biomolecules, and dehydration is a common environmental stress that terrestrial organisms should adapt to. Although tardigrades are known for high radiotolerance, the radiotolerance records have been reported only for desiccation-tolerant tardigrade species and nothing was known about the radio-tolerance in desiccation-sensitive tardigrade species. Hence, the relationship between desiccation-tolerance and radio-tolerance remained unexplored. To this end, we examined the radiotolerance of the desiccation-sensitive tardigrade, Grevenius myrops (formerly known as Isohypsibius myrops) in comparison to the well-characterized desiccation-tolerant tardigrade, Ramazzottius varieornatus. The median lethal dose (LD50) of G. myrops was approximately 2,240 Gy. This was much lower than those reported for desiccation tolerant eutardigrades. The effects of irradiation on the lifespan and the ovipositions were more severe in G. myrops compared to those in R. varieornatus. The present study provides the precise records on the radiotolerance of a desiccation-sensitive tardigrade and the current data supported the certain correlation between desiccation tolerance and radiotolerance at least in eutardigrades.

Abstract Tardigrades can survive hostile environments such as desiccation by adopting a state of anhydrobiosis. Numerous tardigrade species have been described thus far, and recent genome and transcriptome analyses revealed that several distinct strategies were employed to cope with harsh environments depending on the evolutionary lineages. Detailed analyses at the cellular and subcellular levels are essential to complete these data. In this work, we analyzed a tardigrade species that can withstand rapid dehydration, Ramazzottius varieornatus . Surprisingly, we noted an absence of the anhydrobiotic-specific extracellular structure previously described for the Hypsibius exemplaris species. Both Ramazzottius varieornatus and Hypsibius exemplaris belong to the same evolutionary class of Eutardigrada. Nevertheless, our observations reveal discrepancies in the anhydrobiosis mechanisms between these two species. Interestingly, these discrepancies are correlated with their variations in dehydration resistance.