Relatively little is known about the genomic basis and evolution of wood-feeding in beetles. We undertook genome sequencing and annotation, gene expression assays, studies of plant cell wall degrading enzymes, and other functional and comparative studies of the Asian longhorned beetle, Anoplophora glabripennis, a globally significant invasive species capable of inflicting severe feeding damage on many important tree species. Complementary studies of genes encoding enzymes involved in digestion of woody plant tissues or detoxification of plant allelochemicals were undertaken with the genomes of 14 additional insects, including the newly sequenced emerald ash borer and bull-headed dung beetle. The Asian longhorned beetle genome encodes a uniquely diverse arsenal of enzymes that can degrade the main polysaccharide networks in plant cell walls, detoxify plant allelochemicals, and otherwise facilitate feeding on woody plants. It has the metabolic plasticity needed to feed on diverse plant species, contributing to its highly invasive nature. Large expansions of chemosensory genes involved in the reception of pheromones and plant kairomones are consistent with the complexity of chemical cues it uses to find host plants and mates. Amplification and functional divergence of genes associated with specialized feeding on plants, including genes originally obtained via horizontal gene transfer from fungi and bacteria, contributed to the addition, expansion, and enhancement of the metabolic repertoire of the Asian longhorned beetle, certain other phytophagous beetles, and to a lesser degree, other phytophagous insects. Our results thus begin to establish a genomic basis for the evolutionary success of beetles on plants.

Abstract The Colorado potato beetle is one of the most challenging agricultural pests to manage. It has shown a spectacular ability to adapt to a variety of solanaceaeous plants and variable climates during its global invasion, and, notably, to rapidly evolve insecticide resistance. To examine evidence of rapid evolutionary change, and to understand the genetic basis of herbivory and insecticide resistance, we tested for structural and functional genomic changes relative to other arthropod species using genome sequencing, transcriptomics, and community annotation. Two factors that might facilitate rapid evolutionary change include transposable elements, which comprise at least 17% of the genome and are rapidly evolving compared to other Coleoptera, and high levels of nucleotide diversity in rapidly growing pest populations. Adaptations to plant feeding are evident in gene expansions and differential expression of digestive enzymes in gut tissues, as well as expansions of gustatory receptors for bitter tasting. Surprisingly, the suite of genes involved in insecticide resistance is similar to other beetles. Finally, duplications in the RNAi pathway might explain why Leptinotarsa decemlineata has high sensitivity to dsRNA. The L . decemlineata genome provides opportunities to investigate a broad range of phenotypes and to develop sustainable methods to control this widely successful pest.

Abstract Background Arthropods comprise the largest and most diverse phylum on Earth and play vital roles in nearly every ecosystem. Their diversity stems in part from variations on a conserved body plan, resulting from and recorded in adaptive changes in the genome. Dissection of the genomic record of sequence change enables broad questions regarding genome evolution to be addressed, even across hyper-diverse taxa within arthropods. Results Using 76 whole genome sequences representing 21 orders spanning more than 500 million years of arthropod evolution, we document changes in gene and protein domain content and provide temporal and phylogenetic context for interpreting these innovations. We identify many novel gene families that arose early in the evolution of arthropods and during the diversification of insects into modern orders. We reveal unexpected variation in patterns of DNA methylation across arthropods and examples of gene family and protein domain evolution coincident with the appearance of notable phenotypic and physiological adaptations such as flight, metamorphosis, sociality and chemoperception. Conclusions These analyses demonstrate how large-scale comparative genomics can provide broad new insights into the genotype to phenotype map and generate testable hypotheses about the evolution of animal diversity.

ABSTRACT Huanglongbing (HLB), also known as citrus greening disease, is caused by the bacterium Candidatus Liberibacter asiaticus (CLas) and represents a serious threat to global citrus production. This bacteria is transmitted by the Asian citrus psyllid, Diaphorina citri (Hemiptera) and there are no effective in-planta treatments for CLas. Therefore, one strategy is to manage the psyllid population. Manual annotation of the D. citri genome can identify and characterize gene families that could serve as novel targets for psyllid control. The yellow gene family represents an excellent target as yellow genes are linked to development and immunity due to their roles in melanization. Combined analysis of the genome with RNA-seq datasets, sequence homology, and phylogenetic trees were used to identify and annotate nine yellow genes for the D. citri genome. Phylogenetic analysis shows a unique duplication of yellow-y in D. citri , with life stage specific expression for these two genes. Genomic analysis also indicated the loss of a gene vital to the process of melanization, yellow-f , and the gain of a gene which seems to be unique to hemipterans, yellow 9 . We suggest that yellow 9 or the gene yellow 8 ( c ), which consistently groups closely to yellow-f , may take on this role. Manual curation of genes in D. citri has provided an in-depth analysis of the yellow family among hemipteran insects and provides new targets for molecular control of this psyllid pest. Manual annotation was done as part of a collaborative community annotation project ( https://citrusgreening.org/annotation/index ).

ABSTRACT The Asian citrus psyllid ( Diaphorina citri Kuwayama) is the insect vector of the bacterium Candidatus Liberibacter asiaticus (CLas), the pathogen associated with citrus Huanglongbing (HLB, citrus greening). HLB threatens citrus production worldwide. Suppression or reduction of the insect vector using chemical insecticides has been the primary method to inhibit the spread of citrus greening disease. Accurate structural and functional annotation of the Asian citrus psyllid genome, as well as a clear understanding of the interactions between the insect and CLas, are required for development of new molecular-based HLB control methods. A draft assembly of the D. citri genome has been generated and annotated with automated pipelines. However, knowledge transfer from well-curated reference genomes such as that of Drosophila melanogaster to newly sequenced ones is challenging due to the complexity and diversity of insect genomes. To identify and improve gene models as potential targets for pest control, we manually curated several gene families with a focus on genes that have key functional roles in D. citri biology and CLas interactions. This community effort produced 530 manually curated gene models across developmental, physiological, RNAi regulatory, and immunity-related pathways. As previously shown in the pea aphid, RNAi machinery genes putatively involved in the microRNA pathway have been specifically duplicated. A comprehensive transcriptome enabled us to identify a number of gene families that are either missing or misassembled in the draft genome. In order to develop biocuration as a training experience, we included undergraduate and graduate students from multiple institutions, as well as experienced annotators from the insect genomics research community. The resulting gene set (OGS v1.0) combines both automatically predicted and manually curated gene models. All data are available on https://citrusgreening.org/ .

Abstract As carriers of multiple human diseases, understanding the mechanisms behind mosquito reproduction may have implications for remediation strategies. Transfer RNA (tRNA) acts as the adapter molecule of amino acids and are key components in protein synthesis and a critical factor in the function of tRNAs is chemical modifications. Here, we provide an assessment of tRNA modifications between sexes for three mosquito species and examine correlated transcript levels underlying key proteins involved in tRNA modification. Thirty-three tRNA modifications were detected among mosquito species and most of these modifications are higher in females compared to males. Analysis of previous male and female RNAseq datasets indicated a similar increase in tRNA modifying enzymes in females, supporting our observed female enrichment of tRNA modifications. Tissues-specific expressional studies revealed high transcript levels for tRNA modifying enzymes in the ovaries for Aedes aegypti , but not male reproductive tissues. These studies suggest that tRNA modifications may be critical to reproduction in mosquitoes, representing a potential novel target for control.

Abstract Mosquitoes occupy a wide range of habitats where they experience various environmental conditions. The ability of some species, such as the tiger mosquito, Aedes albopictus , to adapt to local conditions certainly contributes to their invasive success. Among traits that remain to be examined, mosquitoes’ ability to time their activity with that of the local host population has been suggested to be of significant epidemiological importance. However, whether different populations display heritable differences in their chronotype has not been examined. Here, we compared laboratory strains originating from 8 populations from 3 continents, monitored their spontaneous locomotor activity patterns, and analyzed their sleep-like states. Overall, all strains showed conserved diurnal activity concentrated in the hours preceding the crepuscule. Similarly, they all showed increased sleep levels during the morning and night hours. However, we observed strain-specific differences in the activity levels at each phase of the day. We also observed differences in the fraction of time that each strain spends in a sleep-like state, explained by variations in the sleep architecture across strains. Human population density and the latitude of the site of geographic origin of the tested strain showed significant effects on sleep and activity patterns. Altogether, these results suggest that Ae. albopictus mosquitoes adapt to local environmental conditions via heritable adaptations of their chronotype.

Insects provide an unparalleled opportunity to link genomic changes with the rise of novel phenotypes, given tremendous variation in the numerous and complex adaptations displayed across the group. Among these numerous and complex adaptations, live-birth has arisen repeatedly and independently in insects and across the tree of life, suggesting this is one of the most common types of convergent evolution among animals. We sequenced the genome and transcriptome of the Pacific beetle-mimic cockroach, the only truly viviparous cockroach, and performed comparative analyses including two other viviparous insect lineages, the tsetse and aphids, to unravel the genomic basis underlying the transition to viviparity in insects. We identified pathways experiencing adaptive evolution, common in all viviparous insects surveyed, involved in uro-genital remodeling, maternal control of embryo development, tracheal system, and heart development. Our findings suggest the essential role of those pathways for the development of placenta-like structure enabling embryo development and nutrition. Viviparous transition seems also to be accompanied by the duplication of genes involved in eggshell formation. Our findings from the viviparous cockroach and tsetse reveal that genes involved in uterine remodeling are up-regulated and immune genes are down-regulated during the course of pregnancy. These changes may facilitate structural changes to accommodate developing young and protect them from the mothers immune system. Our results denote a convergent evolution of live-bearing in insects and suggest similar adaptive mechanisms occurred in vertebrates, targeting pathways involved in eggshell formation, uro-genital remodeling, enhanced tracheal and heart development, and reduced immunity.

Abstract Sleep is an evolutionarily conserved process that has been described in different animal systems. For insects, sleep characterization has been primarily achieved using behavioral and electrophysiological correlates in a few systems. Sleep in mosquitoes, which are important vectors of disease-causing pathogens, has not been directly examined. This is surprising as circadian rhythms, which have been well studied in mosquitoes, influence sleep in other systems. In this study, we characterized sleep in mosquitoes using body posture analysis and behavioral correlates, and quantified the effect of sleep deprivation on sleep rebound, host landing and blood-feeding propensity. Body and appendage position metrics revealed a clear distinction between the posture of mosquitoes in their putative sleep and awake states for multiple species, which correlate with a reduction in responsiveness to host cues. Sleep assessment informed by these posture analyses indicated significantly more sleep during periods of low activity. Nighttime and daytime sleep deprivation resulting from the delivery of vibration stimuli induced sleep rebound in the subsequent phase in day and night active mosquitoes, respectively. Lastly, sleep deprivation suppressed host landing in both laboratory and field settings and also impaired blood feeding of a human host when mosquitoes would normally be active. These results suggest that quantifiable sleep states occur in mosquitoes, and highlight the potential epidemiological importance of mosquito sleep.

Abstract Aedes aegypti is an important mosquito vector of human disease with a wide distribution across the globe. Climatic conditions and ecological pressure drive differences in the biology of several populations of this mosquito, including blood-feeding behavior and vector competence. However, no study has compared activity and/or sleep among different populations/lineages of Ae. aegypti . Having recently established sleep-like states in three mosquito species with observable differences in timing and amount of sleep among species, we investigated differences in activity and sleep levels among 17 Ae. aegypti lines drawn from both its native range in Africa and its invasive range across the global tropics. Activity monitoring indicates that all the lines show consistent diurnal activity, but significant differences in activity level, sleep amount, number of sleep bouts, and bout duration were observed among the lines. Variations in specific activity and sleep parameters were explained by differences in host preference, ancestry, and human population density for the lineages collected in Africa. This study provides evidence that the diurnal sleep and activity profiles for Ae. aegypti are consistent, but there are significant population differences for Ae. aegypti sleep and activity levels and interactions with humans may significantly impact mosquito activity and sleep.