Tribolium castaneum is a member of the most species-rich eukaryotic order, a powerful model organism for the study of generalized insect development, and an important pest of stored agricultural products. We describe its genome sequence here. This omnivorous beetle has evolved the ability to interact with a diverse chemical environment, as shown by large expansions in odorant and gustatory receptors, as well as P450 and other detoxification enzymes. Development in Tribolium is more representative of other insects than is Drosophila, a fact reflected in gene content and function. For example, Tribolium has retained more ancestral genes involved in cell–cell communication than Drosophila, some being expressed in the growth zone crucial for axial elongation in short-germ development. Systemic RNA interference in T. castaneum functions differently from that in Caenorhabditis elegans, but nevertheless offers similar power for the elucidation of gene function and identification of targets for selective insect control. The red flour beetle Tribolium castaneum is a common pest: a type of 'bran bug', it targets cereal products, including grain, flour and rice bran. It is also a commonly used laboratory model, combining the ease of systematic RNA interference experiments such as those used with the nematode worm C. elegans with a biology that is more representative of most insects than even Drosophila. This weeks sees the publication by the Tribolium Genome Sequencing Consortium of the genomic sequence of T. castaneum. This is the first beetle genome to be published, and it will be a valuable resource for insect development studies and pest biology. The beetle Tribolium castaneum is a commonly used laboratory model, combining the ease of systematic RNAi experiments like those in Caenorhabditis elegans, with biology that is more representative of most insects than Drosophila melanogaster. A large consortium has sequenced and analysed the genome of the red flour beetle, creating a resource for biologists everywhere.

RNA interference (RNAi) is a highly conserved cellular mechanism. In some organisms, such as Caenorhabditis elegans, the RNAi response can be transmitted systemically. Some insects also exhibit a systemic RNAi response. However, Drosophila, the leading insect model organism, does not show a robust systemic RNAi response, necessitating another model system to study the molecular mechanism of systemic RNAi in insects. We used Tribolium, which exhibits robust systemic RNAi, as an alternative model system. We have identified the core RNAi genes, as well as genes potentially involved in systemic RNAi, from the Tribolium genome. Both phylogenetic and functional analyses suggest that Tribolium has a somewhat larger inventory of core component genes than Drosophila, perhaps allowing a more sensitive response to double-stranded RNA (dsRNA). We also identified three Tribolium homologs of C. elegans sid-1, which encodes a possible dsRNA channel. However, detailed sequence analysis has revealed that these Tribolium homologs share more identity with another C. elegans gene, tag-130. We analyzed tag-130 mutants, and found that this gene does not have a function in systemic RNAi in C. elegans. Likewise, the Tribolium sid-like genes do not seem to be required for systemic RNAi. These results suggest that insect sid-1-like genes have a different function than dsRNA uptake. Moreover, Tribolium lacks homologs of several genes important for RNAi in C. elegans. Although both Tribolium and C. elegans show a robust systemic RNAi response, our genome-wide survey reveals significant differences between the RNAi mechanisms of these organisms. Thus, insects may use an alternative mechanism for the systemic RNAi response. Understanding this process would assist with rendering other insects amenable to systemic RNAi, and may influence pest control approaches.

The duplication of genes can occur through various mechanisms and is thought to make a major contribution to the evolutionary diversification of organisms. There is increasing evidence for a large-scale duplication of genes in some chelicerate lineages including two rounds of whole genome duplication (WGD) in horseshoe crabs. To investigate this further, we sequenced and analyzed the genome of the common house spider Parasteatoda tepidariorum. We found pervasive duplication of both coding and non-coding genes in this spider, including two clusters of Hox genes. Analysis of synteny conservation across the P. tepidariorum genome suggests that there has been an ancient WGD in spiders. Comparison with the genomes of other chelicerates, including that of the newly sequenced bark scorpion Centruroides sculpturatus, suggests that this event occurred in the common ancestor of spiders and scorpions, and is probably independent of the WGDs in horseshoe crabs. Furthermore, characterization of the sequence and expression of the Hox paralogs in P. tepidariorum suggests that many have been subject to neo-functionalization and/or sub-functionalization since their duplication. Our results reveal that spiders and scorpions are likely the descendants of a polyploid ancestor that lived more than 450 MYA. Given the extensive morphological diversity and ecological adaptations found among these animals, rivaling those of vertebrates, our study of the ancient WGD event in Arachnopulmonata provides a new comparative platform to explore common and divergent evolutionary outcomes of polyploidization events across eukaryotes.

Abstract An increasing human population, the emergence of resistances against pesticides and their potential impact on the environment call for the development of new eco-friendly pest control strategies. RNA interference (RNAi) based pesticides have emerged as new option with the first products entering the market. Essentially, double stranded RNAs targeting essential genes of pests are either expressed in the plants or sprayed on their surface. Upon feeding, pests mount an RNAi response and die. However, it has remained unclear, whether RNAi based insecticides should target the same pathways as classic pesticides or whether the different mode of action would favor other processes. Moreover, there is no consensus on the best genes to be targeted. We performed a genome-wide screen in the red flour beetle to identify 905 RNAi target genes. Based on a validation screen and clustering, we identified the 192 most effective target genes in that species. The transfer to oral application in other beetle pests revealed a list of 34 superior target genes, which are an excellent starting point for application in other pests. GO and KEGG analyses of our genome wide dataset revealed that genes with high efficacy belonged mainly to basic cellular processes such as gene expression and protein homeostasis – processes not targeted by classic insecticides. In summary, our work revealed the best target genes and target processes for RNAi based pest control and we propose a procedure to transfer our short list of superior target genes to other pests.

Abstract Identifying essential genes on a genome scale is resource intensive and has been performed for only a few eukaryotes. For less studied organisms essentiality might be predicted by gene homology. However, this approach cannot be applied to non-conserved genes. Additionally, divergent essentiality information is obtained from studying single cells or whole, multi-cellular organisms, and particularly when derived from human cell line screens and human population studies. We employed machine learning across six model eukaryotes and 60,381 genes, using 41,635 features derived from sequence, gene functions and network topology. Within a leave-one-organism-out cross-validation, the classifiers showed a high generalizability with an average accuracy close to 80% in the left-out species. As a case study, we applied the method to Tribolium castaneum and validated predictions experimentally yielding similar performance. Finally, using the classifier based on the studied model organisms enabled linking the essentiality information of human cell line screens and population studies.

Abstract Animal behavior is guided by the brain. Therefore, adaptations of brain structure and function are essential for animal survival, and each species differs in such adaptations. The brain of one individual may even differ between life stages, for instance as adaptation to the divergent needs of larval and adult life of holometabolous insects. All such differences emerge during development but the cellular mechanisms behind the diversification of brains between taxa and life stages remain enigmatic. In this study, we investigated holometabolous insects, where larvae differ dramatically from the adult in both behavior and morphology. As consequence, the central complex, mainly responsible for spatial orientation, is conserved between species at the adult stage, but differs between larvae and adults as well as between larvae of different taxa. We used genome editing and established transgenic lines to visualize cells expressing the conserved transcription factor retinal homeobox, thereby marking homologous genetic neural lineages in both the fly Drosophila melanogaster and the beetle Tribolium castaneum . This approach allowed us for the first time to compare the development of homologous neural cells between taxa from embryo to the adult. We found complex heterochronic changes including shifts of developmental events between embryonic and pupal stages. Further, we provide, to our knowledge, the first example of sequence heterochrony in brain development, where certain developmental steps changed their position within the ontogenetic progression. We show that through this sequence heterochrony , an immature developmental stage of the central complex gains functionality in Tribolium larvae. We discuss the bearing of our results on the evolution of holometabolous larval central complexes by regression to a form present in an ancestor.

Abstract The cabbage stem flea beetle (CSFB, Psylliodes chrysocephala ) is a key pest of oilseed rape. The ban on neonicotinoids in the European Union due to environmental concerns and the emergence of pyrethroid-resistant populations have made the control of CSFB extremely challenging. In search of a solution, we have recently shown that RNA interference (RNAi) has potential in the management of CSFB. However, the previously tested target genes for RNAi-mediated pest control (subsequently called target genes ) exhibited moderate and slow-acting lethal effects. In this study, 27 double-stranded RNAs (dsRNAs) were orally delivered to identify highly effective target genes in CSFB adults by leveraging the findings of a genome-wide RNAi screen in Tribolium castaneum . Our screen using 500 ng of dsRNA identified 10 moderately effective (> 50% mortality) and 4 highly effective target genes (100% mortality in 8-13 days). The latter mainly included proteasome subunits. RT-qPCR experiments confirmed target gene silencing and dose-response studies revealed LD 50 values as low as ∼20 ng in 14 days following a single exposure to dsRNA. Four highly effective dsRNAs also inhibited leaf damage (up to ∼75%) and one affected locomotion. The sequences of promising target genes were subjected to in silico target prediction in non-target organisms, e.g., beneficials such as honeybees, to design environmentally friendly dsRNAs. Overall, the study provides valuable insights for the development of dsRNA-based insecticides against CSFB.

Abstract Most gene functions were detected by screens in very few model organisms but it has remained unclear how comprehensive these data are. Here, we expanded our RNAi screen in the red flour beetle Tribolium castaneum to cover more than half of the protein-coding genes and we compared the gene sets involved in several processes between beetle and fly. We find that around 50 % of the gene functions are detected in both species while the rest was found only in fly ( ~ 10%) or beetle ( ~ 40%) reflecting both technical and biological differences. We conclude that work in complementary model systems is required to gain a comprehensive picture on gene functions documented by the annotation of novel GO terms for 96 genes studied here. The RNAi screening resources developed in this project, the expanding transgenic tool-kit and our large-scale functional data make T. castaneum an excellent model system in that endeavor.

Abstract Individual cell types are specified by transcriptional programs which act during development. Gene regulatory mechanisms which specify subtype identity of central complex (CX) neurons are the subject of intense investigation. The CX is a compartment within the brain common to all insect species. The CX functions as a “command center” by initiating motor actions in response to incoming information. The CX is made up of several thousand neurons with more than 60 morphologically distinct identities. Accordingly, transcriptional programs must effect the specification of at least as many neuronal subtypes. Here we demonstrate a role for the transcription factor Shaking hands (Skh) in the specification of embryonic CX neurons in Tribolium . The developmental dynamics of Tc - skh expression are characteristic for terminal selectors of neuronal subtype identity. In the embryonic brain Tc - skh expression is restricted to a subset of neurons, many of which survive to adulthood and contribute to the mature CX. Tc - skh expression is maintained throughout the lifetime of the respective CX neurons. Tc - skh knock-down results in severe axon outgrowth defects thus preventing the formation of an embryonic CX primordium. The as yet unstudied Drosophila skh shows a similar embryonic expression pattern suggesting that subtype specification of CX neurons may be conserved.

Abstract Insect brains are formed by conserved sets of neural lineages whose fibres form cohesive bundles with characteristic projection patterns. Within the brain neuropil these bundles establish a system of fascicles constituting the macrocircuitry of the brain. The overall architecture of the neuropils and the macrocircuitry appear to be conserved. However, variation is observed e.g., in size and shape and timing of development. Unfortunately, the developmental and genetic basis of this variation is poorly understood although the rise of new genetically tractable model organisms such as the red flour beetle Tribolium castaneum allows the possibility to gain mechanistic insights. To facilitate such work, we present an atlas of the developing brain of T. castaneum , covering the first larval instar, the prepupal stage and the adult, by combining wholemount immunohistochemical labelling of fibre bundles (acetylated tubulin) and neuropils (synapsin) with digital 3D reconstruction using the TrakEM2 software package. Upon comparing this anatomical dataset with the published work in D. melanogaster , we confirm an overall high degree of conservation. Fibre tracts and neuropil fascicles, which can be visualized by global neuronal antibodies like anti-acetylated tubulin in all invertebrate brains, create a rich anatomical framework to which individual neurons or other regions of interest can be referred to. The framework of a largely conserved pattern allowed us to describe differences between the two species with respect to parameters such as timing of neuron proliferation and maturation. These features likely reflect adaptive changes in developmental timing that govern the change from larval to adult brain.