Abstract Sex determination is a key developmental process, yet it is remarkably variable across the tree of life. The dipteran family Sciaridae exhibits one of the most unusual sex determination systems in which mothers control offspring sex through selective elimination of paternal X chromosomes. Whereas in some members of the family females produce mixed-sex broods, others such as the dark-winged fungus gnat Bradysia coprophila are monogenic, with females producing single-sex broods. Female-producing females were previously found to be heterozygous for a large X-linked paracentric inversion (X’), which is maternally inherited and absent from male-producing females. Here we assembled and characterized the X’ sequence. As close sequence homology between the X and X’ made identification of the inversion challenging, we developed a k-mer-based approach to bin genomic reads before assembly. We confirmed that the inversion spans most of the X’ chromosome (approximately 55Mb) and encodes around 3500 genes. Analysis of the divergence between the inversion and the homologous region of the X revealed that it originated very recently (<0.5 mya). Surprisingly, we found that the X’ is more complex than previously thought and is likely to have undergone multiple rearrangements that have produced regions of varying ages, resembling a supergene composed of evolutionary strata. We found functional degradation of around 7.3% of genes within the region of recombination suppression, but no evidence of accumulation of repetitive elements. Our findings provide an indication that sex-linked inversions are driving turnover of the strange sex determination system in this family of flies.

ABSTRACT Background The lower dipteran fungus gnat, Bradysia ( Sciara ) coprophila , has unusual chromosome biology. Chromosome imprinting was first discovered in this system. All paternal chromosomes are eliminated during spermatogenesis whereas both maternal X sister chromatids are retained. Embryos start out with three copies of the X chromosome, but 1-2 copies are eliminated from all somatic cells as a part of sex determination, and one is eliminated in the germline to restore diploidy. These developmentally normal features present opportunities to study unusual chromosome movements that may occur as rare/abnormal events in other systems. To help with such studies, we previously generated a highly contiguous optical-map-scaffolded long-read assembly (Bcop_v1) of the male somatic genome that contains four chromosomes. However, the scaffolds were not chromosome-scale, the majority of the assembly lacked chromosome assignments, and the order and orientation of the contigs along chromosomes remained unknown. Findings Male pupae chromatin conformation capture (Hi-C) data was collected and used to first produce a corrected Bcop_v1 assembly by breaking contigs at mis-joined regions, and then used to order and orient the corrected contigs into chromosome-scale scaffolds. The resulting assembly (Bcop_v2) had four chromosome-scale scaffolds as expected. Previously known chromosomal locations of locus-specific sequences were used to (i) identify the corresponding chromosome for each scaffold, and (ii) orient the chromosome scaffolds in the same order as published polytene chromosome maps. Finally, the gene annotations produced for Bcop_v1 were lifted over to Bcop_v2 to allow a seamless transition in adopting the updated chromosome-scale assembly. Conclusions Studies of the unusual chromosome movements in Bradysia coprophila will benefit from the updated assembly (Bcop_v2) where each somatic chromosome is represented by a single scaffold.

Abstract Highly potent animal stem cells either self renew or launch complex differentiation programs, using mechanisms that are only partly understood. Drosophila female germline stem cells (GSC) perpetuate without change over evolutionary time and generate cystoblast daughters that develop into nurse cells and oocytes. Cystoblasts initiate differentiation by generating a transient syncytial state, the germline cyst, and by increasing pericentromeric H3K9me3 modification, actions likely to suppress transposable element activity. Relatively open GSC chromatin is further restricted by Polycomb repression of testis or somatic cell-expressed genes briefly active in early female germ cells. Subsequently, Neijre/CBP and Myc help upregulate growth and reprogram GSC metabolism by altering mitochondrial transmembrane transport, gluconeogenesis and other processes. In all these respects GSC differentiation resembles development of the totipotent zygote. We propose that the totipotent stem cell state was shaped by the need to resist transposon activity over evolutionary time scales.

Oxford Nanopore Technologies' nanopore sequencing device, the MinION, holds the promise of sequencing ultra-long DNA fragments >100kb. An obstacle to realizing this promise is delivering ultra-long DNA molecules to the nanopores. We present our progress in developing cost-effective ways to overcome this obstacle and our resulting MinION data, including multiple reads >100kb.

The lower Dipteran fungus fly, Sciara coprophila, has many unique biological features. For example, Sciara undergoes paternal chromosome elimination and maternal X chromosome nondisjunction during spermatogenesis, paternal X elimination during embryogenesis, intrachromosomal DNA amplification of DNA puff loci during larval development, and germline-limited chromosome elimination from all somatic cells. Paternal chromosome elimination in Sciara was the first observation of imprinting, though the mechanism remains a mystery. Here, we present the first draft genome sequence for Sciara coprophila to take a large step forward in aiding these studies. We approached assembling the Sciara genome using multiple sequencing technologies: PacBio, Oxford Nanopore MinION, and Illumina. To find an optimal assembly using these datasets, we generated 44 Illumina assemblies using 7 short-read assemblers and 50 long-read assemblies of PacBio and MinION sequence data using 6 long-read assemblers. We ranked assemblies using a battery of reference-free metrics, and scaffolded a subset of the highest-ranking assemblies using BioNano Genomics optical maps. RNA-seq datasets from multiple life stages and both sexes facilitated genome annotation. Moreover, we anchored nearly half of the Sciara genome sequence into chromosomes. Finally, we used the signal level of both the PacBio and Oxford Nanopore data to explore the presence or absence of DNA modifications in the Sciara genome since DNA modifications may play a role in imprinting in Sciara, as they do in mammals. These data serve as the foundation for future research by the growing community studying the unique features of this emerging model system.

Abstract Robust DNA damage prevention and repair strategies are crucial to faithful reproduction and inheritance of the genetic material. Although many molecular pathways that respond to DNA damage are well conserved through evolution, the quality and effectiveness of these systems can vary between species. Studies dating back for nearly a century document that the dark-winged fungus gnat Sciara coprophila (Order: Diptera; sub-order: Nematocera) is relatively resistant to irradiation-induced mutations that cause visible phenotypes when compared to the fruit fly Drosophila melanogaster (Order: Diptera; sub-order: Brachycera). However, the molecular responses to irradiation for S. coprophila have yet to be analyzed. To address this gap, we first characterized the effects of ionizing radiation on S. coprophila throughout its life cycle. Our data show that developing S. coprophila embryos are highly sensitive to even low doses of gamma-irradiation, whereas larvae can tolerate up to 80 Gy and still retain their ability to develop to adulthood with a developmental delay of 5 to 8 extra days in the larval stage. To survey the genes involved in the early transcriptional response to irradiation, we compared RNA-seq profiles of larvae with and without radiation treatment. Our analysis showed that 327 genes are differentially expressed in irradiated larvae, with 232 genes upregulated and 95 genes downregulated relative to controls. The upregulated genes were enriched for DNA damage response genes, including those involved in DNA repair, cell cycle arrest, and apoptosis, whereas the down-regulated genes were enriched for developmental regulators, consistent with the developmental delay observed in irradiated larvae. Thus, our study has laid the groundwork to further dissect how Sciara copes with radiation-induced damage.