Abstract Spiders are a diverse order of chelicerates that diverged from other arthropods over 500 million years ago. Research on spider embryogenesis, particular studies using the common house spider Parasteatoda tepidariorum , has made important contributions to understanding the evolution of animal development, including axis formation, segmentation, and patterning. However, we lack knowledge about the cells that build spider embryos, their gene expression profiles and fate. Single-cell transcriptomic analyses have been revolutionary in describing these complex landscapes of cellular genetics in a range of animals. Therefore, we carried out single-cell RNA sequencing of P. tepidariorum embryos at stages 7, 8 and 9, which encompass the establishment and patterning of the body plan, and initial differentiation of many tissues and organs. We identified 20 cell clusters, from 18.5k cells, which were marked by many developmental toolkit genes, as well as a plethora of genes not previously investigated. There were differences in the cell cycle transcriptional signatures, suggestive of different proliferation dynamics, which related to distinctions between endodermal and some mesodermal clusters, compared with ectodermal clusters. We found many Hox genes were markers of cell clusters, and Hox gene ohnologs often were present in different clusters. This provided additional evidence of sub- and/or neo-functionalisation of these important developmental genes after the whole genome duplication in the arachnopulmonate ancestor (spiders, scorpions, and allies). We also examined the spatial expression of marker genes for each cluster to generate a comprehensive cell atlas of these embryonic stages. This revealed new insights into the cellular basis and genetic regulation of head patterning, hematopoiesis, limb development, gut development, and posterior segmentation. This atlas will serve as a platform for future analysis of spider cell specification and fate, and studying the evolution of these processes among animals at cellular resolution.

Abstract The Sox family of transcription factors regulate many processes during metazoan development, including stem cell maintenance and nervous system specification. Characterising the repertoires and roles of these genes can therefore provide important insights into animal evolution and development. We further characterised the Sox repertoires of several arachnid species with and without an ancestral whole genome duplication (WGD), and compared their expression between the spider Parasteatoda tepidariorum and the harvestman Phalangium opilio . We also found that most Sox families have been retained as ohnologs after WGD and evidence for potential subfunctionalisation and/or neofunctionalization events. Our results also suggest that Sox21b-1 likely regulated segmentation ancestrally in arachnids, playing a similar role to the closely related SoxB gene, Dichaete , in insects. We previously showed that Sox21b-1 is required for the simultaneous formation of prosomal segments and sequential addition of opisthosomal segments in P. tepidariorum . We studied the expression and function of Sox21b-1 further in this spider and found that while this gene regulates the generation of both prosomal and opisthosomal segments, it plays different roles in the formation of these tagmata reflecting their contrasting modes of segmentation and deployment of gene regulatory networks with different architectures.

ABSTRACT Whole genome duplications have occurred multiple times during animal evolution, including in lineages leading to vertebrates, teleosts, horseshoe crabs and arachnopulmonates. These dramatic events initially produce a wealth of new genetic material, generally followed by extensive gene loss. It appears, however, that developmental genes such as homeobox genes, signalling pathway components and microRNAs are frequently retained as duplicates (so called ohnologs) following whole-genome duplication. These not only provide the best evidence for whole-genome duplication, but an opportunity to study its evolutionary consequences. Although these genes are well studied in the context of vertebrate whole-genome duplication, similar comparisons across the extant arachnopulmonate orders are patchy. We sequenced embryonic transcriptomes from two spider species and two amblypygid species and surveyed three important gene families, Hox, Wnt and frizzled, across these and twelve existing transcriptomic and genomic resources for chelicerates. We report extensive retention of putative ohnologs, including amblypygids, further supporting the ancestral arachnopulmonate whole-genome duplication. We also find evidence of consistent evolutionary trajectories in Hox and Wnt gene repertoires across three of the five arachnopulmonate orders, with inter-order variation in the retention of specific paralogs. We identify variation between major clades in spiders and are better able to reconstruct the chronology of gene duplications and losses in spiders, amblypygids, and scorpions. These insights shed light on the evolution of the developmental toolkit in arachnopulmonates, highlight the importance of the comparative approach within lineages, and provide substantial new transcriptomic data for future study.

Visual systems provide a key interface between organisms and their surroundings, and have evolved in many forms to perform diverse functions across the animal kingdom. Spiders exhibit a range of visual abilities and ecologies, the diversity of which is underpinned by a highly versatile, modular visual system architecture. This typically includes eight eyes of two developmentally distinct types, but the number, size, location, and function of the eyes can vary dramatically between lineages. Previous studies of visual system development in spiders have confirmed that many components of the retinal determination gene (RDG) network are conserved with other arthropods, but so far, comparative studies among spiders are lacking. We characterised visual system development in eight species of spiders representing a range of morphologies, visual ecologies, and phylogenetic positions, to determine how these diverse configurations are formed, and how they might evolve. Combining synchrotron radiation tomography, transcriptomics, in situ hybridisation, and selection analyses, we characterise the repertoires and expression of key RDGs in relation to adult morphology. We identify key molecular players, timepoints, and developmental events that may contribute to adult diversity, in particular the molecular and developmental underpinnings of eye size, number, position, and identity across spiders.