ABSTRACT Genome-scale sequence data have invigorated the study of hybridization and introgression, particularly in animals. However, outside of a few notable cases, we lack systematic tests for introgression at a larger phylogenetic scale across entire clades. Here we leverage 155 genome assemblies, from 149 species, to generate a fossil-calibrated phylogeny and conduct multilocus tests for introgression across nine monophyletic radiations within the genus Drosophila . Using complementary phylogenomic approaches, we identify widespread introgression across the evolutionary history of Drosophila . Mapping gene-tree discordance onto the phylogeny revealed that both ancient and recent introgression has occurred across most of the nine clades that we examined. Our results provide the first evidence of introgression occurring across the evolutionary history of Drosophila and highlight the need to continue to study the evolutionary consequences of hybridization and introgression in this genus and across the Tree of Life.

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.

Lifetime reproductive capacity, or the total number of offspring that an individual can give rise to in its lifetime, is a fitness component critical to the evolutionary process. In insects, female reproductive capacity is primarily determined by the number of ovarioles, the egg-producing subunits of the ovary. Recent work has provided insights into the genetic and environmental control of ovariole number in Drosophila melanogaster. However, whether regulatory mechanisms discovered under laboratory conditions can explain its evolutionary variation in natural populations is an outstanding question in evolutionary biology. Here we report, for the first time, insights into the mechanisms regulating ovariole number and its evolution among Hawaiian Drosophila, a large adaptive radiation of fruit flies that have evolved the highest and lowest ovariole numbers of the genus within 25 million years. Using comparative phylogenetic methods, we show that ovariole number variation among species with different food sources is best explained by adaptation to specific ecological niches. Further, we show that evolution of reliance on specific rare and ephemeral egg-laying substrates disrupts the allometric relationship between body size and ovariole number that is observed in flies that use widespread and abundant substrates. Finally, we provide evidence that the developmental mechanism principally responsible for controlling ovariole number in D. melanogaster also regulates ovariole number in natural populations of Hawaiian drosophilids. This work explains the evolution of ovariole number variation at the levels of ecology, organismal growth, and cell behavior during development, thus connecting the ultimate and proximate mechanisms of evolutionary change in reproductive capacity.

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.

Cytolethal distending toxins (CDTs) are tripartite eukaryotic genotoxins encoded in diverse bacterial and phage genomes. The cdtB subunit is a DNAse that causes eukaryotic cell cycle arrest and apoptosis, and in one context, is associated with resistance against parasitoid wasp infections. Here we report the discovery of functional cdtB copies in the nuclear genomes of insect species from two distantly related insect orders, including fruit flies (Diptera: Drosophilidae) and aphids (Hemiptera: Aphididae). Insect cdtB copies are most closely related to bacteriophage copies, were horizontally transferred to insect genomes > 40 million years ago and encode a protein that retains ancestral DNase activity. This phage-derived toxin has been domesticated by diverse insects and we hypothesize that it is used as a defensive weapon against parasitoid wasps.

Gut microbiomes provide numerous physiological benefits for host animals. The role of bacterial members of microbiomes in host physiology is well-documented. However, much less is known about the contributions and interactions of fungal members of the microbiome even though fungi are significant components of many microbiomes, including those of humans and insects. Here, we used antibacterial and antifungal drugs to manipulate the gut microbiome of a Hawaiian picture-wing Drosophila species, D. grimshawi, and identified distinct, sex-specific roles for the bacteria and fungi in microbiome community stability and reproduction. Female oogenesis, fecundity and mating drive were significantly diminished when fungal communities were suppressed. By contrast, male fecundity was more strongly affected by bacterial but not fungal populations. For males and females, suppression of both bacteria and fungi severely reduced fecundity and altered fatty acid levels and composition, implicating the importance of interkingdom interactions on reproduction and lipid metabolism. Overall, our results reveal that bacteria and fungi have distinct, sexually-dimorphic effects on host physiology and interkingdom dynamics in the gut help to maintain microbiome community stability and enhance reproduction.

Abstract The microbiome provides numerous physiological benefits for host animals. The role of bacterial members of microbiomes to host physiology is well-documented. However, much less is known about the contributions and interactions of fungal members, even though fungi are integral components of many microbiomes, including those of humans and insects. Here, we used antibacterial and antifungal drugs to manipulate the gut microbiome of a Hawaiian picture-wing Drosophila species, Drosophila grimshawi, and identified distinct effects for each treatment on microbiome community stability, reproduction, and lipid metabolism. Female oogenesis, fecundity and mating drive were significantly diminished with antifungal treatment. In contrast, male fecundity was affected by antibacterial but not antifungal treatment. For males and females, simultaneous treatment with both antibacterial and antifungal drugs resulted in severely reduced fecundity and changes in fatty acid levels and composition. Microbial transplants using frass harvested from control flies partially restored microbiome composition and female fecundity. Overall, our results reveal that antibacterial and antifungal treatments have distinct effects on host fecundity, mating behavior, and lipid metabolism, and that interkingdom interactions contribute to microbial community stability and reproduction.

Evidence is accumulating that evolutionary changes are not only common during biological invasions but may also contribute directly to invasion success. The genomic basis of such changes is still largely unexplored. Yet, understanding the genomic response to invasion may help to predict the conditions under which invasiveness can be enhanced or suppressed. Here we characterized the genome response of the spotted wing drosophila Drosophila suzukii during the worldwide invasion of this pest insect species, by conducting a genome-wide association study to identify genes involved in adaptive processes during invasion. Genomic data from 22 population samples were analyzed to detect genetic variants associated with the status (invasive versus native) of the sampled populations based on a newly developed statistic, we called C2 , that contrasts allele frequencies corrected for population structure. This new statistical framework has been implemented in an upgraded version of the program BayPass. We identified a relatively small set of single nucleotide polymorphisms (SNPs) that show a highly significant association with the invasive status of populations. In particular, two genes RhoGEF64C and cpo, the latter contributing to natural variation in several life-history traits (including diapause) in Drosophila melanogaster, contained SNPs significantly associated with the invasive status in the two separate main invasion routes of D. suzukii . Our methodological approaches can be applied to any other invasive species, and more generally to any evolutionary model for species characterized by non-equilibrium demographic conditions for which binary covariables of interest can be defined at the population level.