1. Abstract Despite numerous examples of chemoreceptor gene family expansions and contractions, how these changes relate to modifications in the neural circuitry in which they are expressed remains unclear. Drosophila ’s Odorant receptor (Or) family is ideal for addressing this question because a large majority of Ors are uniquely expressed in single olfactory sensory neuron (OSN) types. Between-species changes in Or copy number, therefore, may indicate diversification/reduction of OSN populations. To test this, we investigated a rapidly duplicated/deleted subfamily (named Or67a ) in Drosophila melanogaster and its sister species ( D. simulans, D. sechellia , and D. mauritiana ). We found that the common ancestor had three Or67a paralogs that had already diverged adaptively in their odor-evoked responses. Following their speciation, two Or67a paralogs were lost independently in D. melanogaster and D. sechellia , with ongoing positive selection acting on the intact genes. Instead of the expected singular expression of each diverged Ors, the three D. simulans Or67a paralogs are co-expressed. Thus, while neuroanatomy is conserved between these species, independent selection on co-expressed receptors has contributed to species-specific peripheral coding of olfactory information. This work reveals a model of adaptive change previously not considered for olfactory evolution and raises the possibility that similar processes may be operating among the largely uninvestigated cases of Or co-expression.

Abstract Determining the molecular properties of neurons is essential to understand their development, function and evolution. We used Targeted DamID (TaDa) to characterize RNA polymerase II occupancy and chromatin accessibility in selected Ionotropic Receptor (IR)-expressing sensory neurons in the Drosophila antenna. Although individual populations represent a minute fraction of cells, TaDa is sufficiently sensitive and specific to identify the expected receptor genes. Unique Ir expression is not linked to substantial differences in chromatin accessibility, but rather to distinct transcription factor profiles. Heterogeneously-expressed genes across populations are enriched for neurodevelopmental factors, and we identify functions for the POU-domain protein Pdm3 as a genetic switch of Ir neuron fate, and the atypical cadherin Flamingo in segregation of neurons into discrete glomeruli. Together this study reveals the effectiveness of TaDa in profiling rare neural populations, identifies new roles for a transcription factor and a neuronal guidance molecule, and provides valuable datasets for future exploration.

Abstract From the star-nosed mole’s eponymous mechanosensory organ to the platypus’ electroreceptive bill, the expansion of sensory neuron populations detecting important environmental cues is a widespread evolutionary phenomenon in animals 1–6 . How such neuron increases contribute to improved sensory detection and behaviour remain largely unexplained. Here we address this question through comparative analysis of olfactory pathways in Drosophila melanogaster and its close relative Drosophila sechellia , which feeds and breeds exclusively on Morinda citrifolia noni fruit 7–9 . We show that D. sechellia displays selective, large expansions of noni-detecting olfactory sensory neuron (OSN) populations, and that this trait has a multigenic basis. These expansions are accompanied by an increase in synaptic connections between OSNs and their projection neuron (PN) partners that transmit information to higher brain centres. Quantification of odour-evoked responses of partner OSNs and PNs reveals that OSN population expansions do not lead to heightened PN sensitivity, beyond that due to sensory receptor tuning differences. Rather, these pathways – but not those with conserved OSN numbers – exhibit non-adapting PN activity upon odour stimulation. In noni odour plume-tracking assays, D. sechellia exhibits enhanced performance compared to D. melanogaster . Through activation and inhibition of defined proportions of a noni-sensing OSN population, we establish that increased neuron numbers contribute to this behavioural persistence. Our work reveals an unexpected functional impact of sensory neuron expansions that can synergise with peripheral receptor tuning changes to explain ecologically-relevant, species-specific behaviour.

Chemosensory systems display exceptional variation between species, but little is known about how the evolution of gene expression and cell types contribute to this diversity. We have generated transcriptomes for five chemosensory tissues across six ecologically diverse Drosophila species and integrated their analyses with single-cell datasets to address these questions. The evolution of chemosensory transcriptomes has been predominantly shaped by stabilizing selection, but several thousand genes have nevertheless evolved expression changes in each tissue. Phylogenetic analyses of differentially expressed genes revealed strong evidence that their expression changes have been driven by a combination of cis-regulatory and cell composition evolution. We have also found that chemosensory-related gene families have undergone pervasive expression level changes and numerous species-specific expression gains/losses. Follow-up experiments revealed several chemoreceptors that evolved novel patterns of tissue and cellular expression that likely contribute to sensory differences. Finally, analyses of the genes that are differentially expressed between sexes uncovered extensive species-specific differences. Among these rapid changes, we discovered a D. melanogaster-specific excess of male-biased gene expression in its forelegs and identified sensory and muscle cells as the primary source of this dimorphism. Together, our analyses provide new insights for understanding evolutionary changes in ecologically key tissues at both global and individual gene levels.

Abstract Small-bodied ectotherms are acutely vulnerable to temperature changes but diverse thermotactic behaviours have contributed to their ability to inhabit broad climatic niches. Understanding how - and how fast - these behaviours evolve are outstanding biological questions that are also relevant to conservation. Among insects, Drosophila melanogaster is a preeminent ectothermic model for temperate sensing and thermotaxis. However, little is known about how its temperature-related behaviours have evolved in comparison to its closely-related species. We have thermo-profiled over ∼2400 larvae from eight closely related species of Drosophila from different thermal habitats. We found substantial variation in temperature preference and fine-scale navigational behaviours amongst these species, consistent with local adaptation. Agent-based modelling of the larval thermotaxis circuit indicate that it is the balance between cool and warm avoidance circuits, rather than changes in temperature sensitivity, that drive differences in temperature preference. Together, our findings highlight the fast evolution of temperature-related behaviours in an experimentally tractable cross-species system.