ABSTRACT Background Climate change is one of the main factors shaping the distribution and biodiversity of organisms, among others by greatly altering water availability, thus exposing species and ecosystems to harsh desiccation conditions. Insects are especially threatened by these challenging dry environments, because of their small size and thus large surface area to volume ratio. Integrating transcriptomics and physiology is key to advancing our knowledge on how species cope with desiccation stress, and these studies are still best accomplished in model organisms. Results Here, we characterized the natural variation of European D. melanogaster populations across climate zones and found that strains from arid regions were similar or more tolerant to desiccation compared with strains from temperate regions. Tolerant and sensitive strains differed not only in their transcriptomic response to stress but also in their basal expression levels. We further showed that gene expression changes in tolerant strains correlated with their physiological response to desiccation stress and with their cuticular hydrocarbon composition. Transposable elements, which are known to influence stress response across organisms, were not found to be enriched nearby differentially expressed genes. Finally, we identified several tRNA-derived small RNA fragments that differentially targeted genes in response to desiccation stress. Conclusions Our results showed that by integrating transcriptomics with physiological trait analysis we can pinpoint the genetic basis of the differences in tolerance to desiccation stress found in natural D. melanogaster populations. Moreover, we showed that, beyond starvation and aging, tRNA-derived small RNA fragments (tRFs) appear to be relevant post-transcriptional gene regulators in response to desiccation stress.

ABSTRACT High quality reference genomes are crucial to understanding genome function, structure and evolution. The availability of reference genomes has allowed us to start inferring the role of genetic variation in biology, disease, and biodiversity conservation. However, analyses across organisms demonstrate that a single reference genome is not enough to capture the global genetic diversity present in populations. In this work, we generated 32 high-quality reference genomes for the well-known model species D. melanogaster and focused on the identification and analysis of transposable element variation as they are the most common type of structural variant. We showed that integrating the genetic variation across natural populations from five climatic regions increases the number of detected insertions by 58%. Moreover, 26% to 57% of the insertions identified using long-reads were missed by short-reads methods. We also identified hundreds of transposable elements associated with gene expression variation and new TE variants likely to contribute to adaptive evolution in this species. Our results highlight the importance of incorporating the genetic variation present in natural populations to genomic studies, which is essential if we are to understand how genomes function and evolve.

ABSTRACT Increases in industrialization and anthropogenic activity have resulted in an increase of pollutants released into the environment. Of these pollutants, heavy metals such as copper are particularly concerning due to their bio-accumulative nature. Due to its highly heterogeneous distribution and its dual nature as an essential micronutrient and toxic element, the genetic basis of copper tolerance is likely shaped by a complex interplay of genetic and environmental factors. In this study, we utilized the natural variation present in multiple populations of Drosophila melanogaster collected across Europe to screen for variation in copper tolerance. We found that latitude and the degree of urbanization at the collection sites, rather than any other combination of environmental factors, were linked to copper tolerance. While previously identified copper-related genes were not differentially expressed in tolerant vs . sensitive strains, genes involved in metabolism, reproduction, and protease induction contributed to the differential stress response. Additionally, the greatest transcriptomic and physiological responses to copper toxicity were seen in the midgut; where we found that preservation of gut acidity is strongly linked to greater tolerance. Finally, we identified transposable element insertions likely to play a role in copper stress response. Overall, by combining genome-wide approaches with environmental association analysis, and functional analysis of candidate genes, our study provides a unique perspective on the genetic and environmental factors that shape copper tolerance in natural D. melanogaster populations, and identifies new genes, transposable elements and physiological traits involved in this complex phenotype.

Abstract The advent of long-read sequencing technologies has allowed the generation of multiple high-quality de novo genome assemblies for multiple species, including well-known model species such as Drosophila melanogaster . Genome assemblies for multiple individuals of the same species are key to discover the genetic diversity present in natural populations, especially the one generated by transposable elements, the most common type of structural variant. Despite the availability of multiple genomic datasets for D. melanogaster populations, we lack an efficient visual tool to display different genomes assemblies simultaneously. In this work, we present DrosOmics, a comparative genomics-oriented browser for 52 high-quality reference genomes of D. melanogaster , including annotations from a highly reliable set of transposable elements, and functional transcriptomics and epigenomics data for half the populations. DrosOmics is based on JBrowse 2, which allows the visualization of multiple assemblies at once, key to unraveling structural and functional features of D. melanogaster natural populations.

ABSTRACT Background Variation in gene expression underlies interindividual variability in relevant traits including immune response. However, the genetic variation responsible for these gene expression changes remain largely unknown. Among the non-coding variants that could be relevant, transposable element insertions are promising candidates as they have been shown to be a rich and diverse source of cis-regulatory elements. Results In this work, we used a population genetics approach to identify transposable element insertions likely to increase the tolerance of Drosophila melanogaster to bacterial infection by affecting the expression of immune-related genes. We identified 12 insertions associated with allele-specific expression changes in immune-related genes. We experimentally validated three of these insertions including one likely to be acting as a silencer, one as an enhancer, and one with a dual role as enhancer and promoter. The direction in the change of gene expression associated with the presence of several of these insertions was consistent with an increased survival to infection. Indeed, for one of the insertions, we showed that this is the case by analyzing both natural populations and CRISPR/Cas9 mutants in which the insertion was deleted from its native genomic context. Conclusions We showed that transposable elements contribute to gene expression variation in response to infection in D. melanogaster and that this variation is likely to affect their survival capacity. Because the role of transposable elements as regulatory elements is not restricted to Drosophila, TEs are likely to play a role in immune response in other organisms as well.

ABSTRACT Transcriptomes are dynamic, with cells, tissues, and body parts expressing particular sets of transcripts. Transposons are a known source of transcriptome diversity, however studies often focus on a particular type of chimeric transcript, analyze single body parts or cell types, or are based on incomplete transposon annotations from a single reference genome. In this work, we have implemented a method based on de novo transcriptome assembly that minimizes the potential sources of errors while identifying a comprehensive set of gene-TE chimeras. We applied this method to head, gut and ovary dissected from five Drosophila melanogaster natural strains, with individual reference genomes available. We found that ∼19% of body part- specific transcripts are gene-TE chimeras. Overall, chimeric transcripts contribute a mean of 43% to the total gene expression, and they provide DNA binding, catalytic activity, and DNA polymerase activity protein domains. Our comprehensive dataset is a rich resource for follow- up analysis. Moreover, because transposable elements are present in virtually all species sequenced to date, their relevant role in spatially restricted transcript expression is likely not exclusive to the species analyzed in this work.

A bstract Background Anopheles coluzzii is one of the primary vectors of human malaria in sub-Saharan Africa. Recently, it has colonized the main cities of Central Africa threatening vector control programs. The adaptation of An. coluzzii to urban environments is partly due to an increased tolerance to organic pollution and insecticides. While some of the molecular mechanisms for ecological adaptation, including chromosome rearrangements and introgressions, are known, the role of transposable elements (TEs) in the adaptive processes of this species has not been studied yet. To assess the role of TEs in rapid urban adaptation, the first step is to accurately annotate TE insertions in the genomes of natural populations collected in urban settings. Results We sequenced using long-reads six An. coluzzii genomes from natural breeding sites in two major Central Africa cities. We de novo annotated the complete set of TEs in these genomes and in an additional high-quality An. coluzzii genome available and identified 64 previously undescribed TE families. TEs were non-randomly distributed throughout the genome with significant differences in the number of insertions of several superfamilies across the studied genomes. We identified seven putatively active families with insertions near genes with functions related to vectorial capacity. Moreover, we identified several TE insertions providing promoter and transcription factor binding sites to insecticide resistance and immune-related genes. Conclusions The analysis of multiple genomes sequenced using long-read technologies allowed us to generate the most comprehensive TE annotations in this species to date. We identified several TE insertions that could potentially impact both genome architecture and the regulation of functionally relevant genes in An. coluzzii . These results provide a basis for future studies of the impact of TEs on the biology of An. coluzzii .

ABSTRACT Establishing causal links between adaptive mutations and their ecologically relevant phenotypes is key to understanding the process of adaptation, a central goal in evolutionary biology that is also relevant for conservation biology, medicine and agriculture. Although progress has been made, the number of causal adaptive mutations identified so far is still limited as gene by gene, and gene by environment interactions, among others, complicates linking genetic variation with its fitness–related effects. Transposable elements, often ignored in the quest for the genetic basis of adaptive evolution, are known to be a genome-wide source of regulatory elements across organisms that at times can lead to adaptive phenotypes. In this work, we combine gene expression, in vivo reporter assays, CRISPR/Cas9 genome editing, and survival experiments to characterize in detail the molecular and phenotypic consequences of a natural Drosophila melanogaster transposable element insertion: the roo solo-LTR FBti0019985 . This transposable element provides an alternative promoter to the transcription factor Lime , involved in cold- and immune-stress responses. We found that the effect of FBti0019985 on Lime expression depends on the interplay between the developmental stage and the environmental conditions. We further establish a causal link between the presence of FBti0019985 and increased survival to cold- and immune-stress. Our results exemplify how several developmental stages and environmental conditions need to be considered to characterize the molecular and functional effects of a genetic variant, and add to the growing body of evidence that transposable elements can induce complex mutations with ecologically relevant effects.

To advance our understanding of adaptation to temporally varying selection pressures, we identified signatures of seasonal adaptation occurring in parallel among Drosophila melanogaster populations. To study these evolutionary dynamics, we estimated allele frequencies genome-wide from flies sampled early and late in the growing season from 20 widely dispersed populations. We identify parallel seasonal allele frequency shifts across North America and Europe, demonstrating that seasonal adaptation is a general phenomenon of temperate fly populations. The direction of allele frequency change at seasonally variable polymorphisms can be predicted by weather conditions in the weeks prior to sampling, linking the environment and the genomic response to selection. The extent of allele frequency fluctuations implies that seasonal evolution drives substantial (5-10%) allele frequency fluctuations at >1% of common polymorphisms across the genome. Our results suggest that fluctuating selection is an important evolutionary force affecting the extent and stability of linked and functional variation.

Recombination is a main source of genetic variability. However, the potential role of the variation generated by recombination in phenotypic traits, including diseases, remains unexplored as there is currently no method to infer chromosomal subpopulations based on recombination patterns differences. We developed recombClust, a method that uses SNP-phased data to detect differences in historic recombination in a chromosome population. We validated our method by performing simulations and by using real data to accurately predict the alleles of well known recombination modifiers, including common inversions in Drosophila melanogaster and human, and the chromosomes under selective pressure at the lactase locus in humans. We then applied recombClust to the complex human 1q21.1 region, where non-allelic homologous recombination produces deleterious phenotypes. We discovered and validated the presence of two different recombination histories in these regions that significantly associated with the differential expression of ANKRD35 in whole blood and that were in high linkage with variants previously associated with hypertension. By detecting differences in historic recombination, our method opens a way to assess the influence of recombination variation in phenotypic traits.