Over 100 years of studies in Drosophila melanogaster and related species in the genus Drosophila have facilitated key discoveries in genetics, genomics, and evolution. While high-quality genome assemblies exist for several species in this group, they only encompass a small fraction of the genus. Recent advances in long read sequencing allow high quality genome assemblies for tens or even hundreds of species to be generated. Here, we utilize Oxford Nanopore sequencing to build an open community resource of high-quality assemblies for 101 lines of 95 drosophilid species encompassing 14 species groups and 35 sub-groups with an average contig N50 of 10.5 Mb and greater than 97% BUSCO completeness in 97/101 assemblies. These assemblies, along with detailed wet lab protocol and assembly pipelines, are released as a public resource and will serve as a starting point for addressing broad questions of genetics, ecology, and evolution within this key group.

Abstract The ability of a single genome to produce distinct and often dramatically different male and female forms is one of the wonders of animal development. In most animals, sex-specific phenotypes are shaped by interactions between a sex determination pathway and spatial patterning gene networks. In Drosophila melanogaster , most sexually dimorphic traits are controlled by sex-specific isoforms of the doublesex ( dsx ) transcription factor, and dsx expression is mostly limited to cells that give rise to sexually dimorphic traits. However, it is unknown how this mosaic of “sex-naïve” and “sex-aware” tissues arises. Here, we characterize the cis -regulatory sequences that control dsx expression in the foreleg, which contains multiple types of sex-specific sensory organs. We find that separate modular enhancers are responsible for dsx expression in each sexually dimorphic organ. Expression of dsx in the sex comb is co-regulated by two enhancers with distinct spatial and temporal specificities that are separated by a genitalia-specific enhancer. Thus, the mosaic of sexually dimorphic and monomorphic organs depends on modular regulation of dsx transcription by dedicated cell type-specific enhancers. Summary Statement We identify the modular cis -regulatory elements that direct expression of doublesex in sexually dimorphic structures in Drosophila legs and genitalia. This regulatory landscape provides insight into how cells obtain their sex-specific identity.

Abstract To respond to the world around them, animals rely on the input of a network of sensory organs distributed throughout the body. Distinct classes of sensory organ are specialized for the detection of specific stimuli such as strain, pressure, or taste. The features that underlie this specialization relate both to the neurons that innervate sensory organs and the accessory cells that comprise them. This diversity of cell types, both within and between sensory organs, raises two fundamental questions: what makes these cell types distinct from one another, and how is this diversity generated during development? To address these questions, we performed single-cell RNA sequencing on a developing tissue that displays a wide variety of functionally and structurally distinct sensory organs: the first tarsal segment of the pupal male Drosophila melanogaster foreleg. We characterize the cellular landscape in which the sensory organs reside, identify a novel cell type that contributes to the construction of the neural lamella, and characterize the transcriptomic differences among support cells within and between sensory organs. We identify the genes that distinguish between mechanosensory and chemosensory neurons, resolve a combinatorial transcription factor code that defines four distinct classes of gustatory neuron and several types of mechanosensory neuron, and match the expression of sensory receptors to specific neuron classes. Collectively, our work identifies core genetic features of a variety of sensory organs and provides a rich, annotated resource for studying their development and function.

The modularity of transcriptional enhancers is central to our understanding of morphological evolution, allowing specific changes to a gene expression pattern component, without affecting others. Enhancer modularity refers to physically separated stretches of regulatory sequence producing discrete spatiotemporal transcriptional activity. This concept stems from assays that test the sufficiency of a DNA segment to drive spatial reporter expression resembling that of the corresponding gene. Focusing on spatial patterns, it overlooks quantitative aspects of gene expression, underestimating the regulatory sequence actually required to reach full endogenous expression levels. Here, we show that five regulatory activities of the gene yellow in Drosophila , classically described as modular, result from extensively overlapping sequences, with broadly distributed regulatory information. Nevertheless, the independent regulatory activities of these entangled enhancers appear to be nucleated by specific segments that we called enhancer cores. Our work calls for a reappraisal of enhancer definition and properties, as well as of the consequences on regulatory evolution.

The modularity of transcriptional enhancers is central to our understanding of morphological evolution, as it allows specific changes to a gene expression pattern component, without affecting others. Enhancer modularity refers to physically separated stretches of regulatory sequence producing discrete spatiotemporal transcriptional activity. This concept stems mainly from assays that test the sufficiency of a DNA segment to drive spatial reporter expression resembling that of the corresponding gene. Focusing on sufficiency to produce spatial patterns, it overlooks quantitative aspects of gene expression, underestimating the regulatory sequence actually required to reach full endogenous expression levels. Here we show that five regulatory activities of the pigmentation gene yellow in Drosophila, classically described as modular, result from extensively overlapping sequences, with broadly distributed regulatory information. Nevertheless, the independent regulatory activities of these entangled enhancers appear to be nucleated by specific segments that we called enhancer cores. Our work calls for a reappraisal of enhancer definition and properties, as well as of the consequences on regulatory evolution.

Abstract Animal evolution is characterized by frequent turnover of sexually dimorphic traits – new sex- specific characters are gained, and some ancestral sex-specific characters are lost, in many lineages. In insects, sexual differentiation is predominantly cell-autonomous and depends on the expression of the doublesex ( dsx ) transcription factor. In most cases, cells that transcribe dsx have the potential to undergo sex-specific differentiation, while those that lack dsx expression do not. Consistent with this mode of development, comparative research has shown that the origin of new sex-specific traits can be associated with the origin of new spatial domains of dsx expression. In this report, we examine the opposite situation – a secondary loss of the sex comb, a male-specific grasping structure that develops on the front legs of some drosophilid species. We show that, while the origin of the sex comb is linked to an evolutionary gain of dsx expression in the leg, sex comb loss in a newly identified species of Lordiphosa (Drosophilidae) is associated with a secondary loss of dsx expression. We discuss how the developmental control of sexual dimorphism affects the mechanisms by which sex-specific traits can evolve.

Long-read sequencing is driving rapid progress in genome assembly across all major groups of life, including species of the family Drosophilidae, a longtime model system for genetics, genomics, and evolution. We previously developed a cost-effective hybrid Oxford Nanopore (ONT) long-read and Illumina short-read sequencing approach and used it to assemble 101 drosophilid genomes from laboratory cultures, greatly increasing the number of genome assemblies for this taxonomic group. The next major challenge is to address the laboratory culture bias in taxon sampling by sequencing genomes of species that cannot easily be reared in the lab. Here, we build upon our previous methods to perform amplification-free ONT sequencing of single wild flies obtained either directly from the field or from ethanol-preserved specimens in museum collections, greatly improving the representation of lesser studied drosophilid taxa in whole-genome data. Using Illumina Novaseq X Plus and ONT P2 sequencers with R10.4.1 chemistry, we set a new benchmark for inexpensive hybrid genome assembly at US $150 per genome while assembling genomes from as little as 35 ng of genomic DNA from a single fly. We present 183 new genome assemblies for 179 species as a resource for drosophilid systematics, phylogenetics, and comparative genomics. Of these genomes, 62 are from pooled lab strains and 121 from single adult flies. Despite the sample limitations of working with small insects, most single-fly diploid assemblies are comparable in contiguity (>1Mb contig N50), completeness (>98% complete dipteran BUSCOs), and accuracy (>QV40 genome-wide with ONT R10.4.1) to assemblies from inbred lines. We present a well-resolved multi-locus phylogeny for 360 drosophilid and 4 outgroup species encompassing all publicly available (as of August 2023) genomes for this group. Finally, we present a Progressive Cactus whole-genome, reference-free alignment built from a subset of 298 suitably high-quality drosophilid genomes. The new assemblies and alignment, along with updated laboratory protocols and computational pipelines, are released as an open resource and as a tool for studying evolution at the scale of an entire insect family.

Sexually dimorphic morphological traits are among the fastest evolving animal features. Similar sex-specific structures have sometimes evolved independently in multiple lineages, presumably as targets of parallel sexual selection. In such cases, comparing the cellular mechanisms that generate these structures in different species can elucidate the interplay between selection and developmental constraint in evolution. In Drosophilidae, male−specific tarsal brushes on the front legs are found in at least four separate lineages. In this study, we combine phylogenetic reconstruction with developmental analyses and behavioral observations to investigate the evolutionary origin of these structures. We show that the sex brush has evolved independently at least three times from sexually monomorphic ancestral morphology. However, all sex brushes have very similar fine structure and develop through indistinguishable cellular processes, providing a striking example of developmental convergence In all examined species, males use their sex brushes to grasp the female abdomen prior to copulation. We discuss potential reasons why convergent evolution of novel structures is rare even in the face of similar functional demands.