The evolutionary importance of hybridization and introgression has long been debated. Hybrids are usually rare and unfit, but even infrequent hybridization can aid adaptation by transferring beneficial traits between species. Here we use genomic tools to investigate introgression in Heliconius, a rapidly radiating genus of neotropical butterflies widely used in studies of ecology, behaviour, mimicry and speciation. We sequenced the genome of Heliconius melpomene and compared it with other taxa to investigate chromosomal evolution in Lepidoptera and gene flow among multiple Heliconius species and races. Among 12,669 predicted genes, biologically important expansions of families of chemosensory and Hox genes are particularly noteworthy. Chromosomal organization has remained broadly conserved since the Cretaceous period, when butterflies split from the Bombyx (silkmoth) lineage. Using genomic resequencing, we show hybrid exchange of genes between three co-mimics, Heliconius melpomene, Heliconius timareta and Heliconius elevatus, especially at two genomic regions that control mimicry pattern. We infer that closely related Heliconius species exchange protective colour-pattern genes promiscuously, implying that hybridization has an important role in adaptive radiation.

Significance Rhodnius prolixus is a major vector of Chagas disease, an illness caused by Trypanosoma cruzi which affects approximately 7 million people worldwide. This report describes the first genome sequence of a nondipteran insect vector of an important human parasitic disease. This insect has a gene repertoire substantially distinct from dipteran disease vectors, including immune signaling pathways that display major departures from the canonical network. Large gene expansions related to chemoreception, feeding, and digestion have facilitated triatomine adaptation to a blood-feeding lifestyle. This study provides information about the physiology and evolution of an important disease vector that will boost understanding of transmission of a life-threatening parasite and may lead to the development of innovative control methods.

The tobacco cutworm, Spodoptera litura, is among the most widespread and destructive agricultural pests, feeding on over 100 crops throughout tropical and subtropical Asia. By genome sequencing, physical mapping and transcriptome analysis, we found that the gene families encoding receptors for bitter or toxic substances and detoxification enzymes, such as cytochrome P450, carboxylesterase and glutathione-S-transferase, were massively expanded in this polyphagous species, enabling its extraordinary ability to detect and detoxify many plant secondary compounds. Larval exposure to insecticidal toxins induced expression of detoxification genes, and knockdown of representative genes using short interfering RNA (siRNA) reduced larval survival, consistent with their contribution to the insect's natural pesticide tolerance. A population genetics study indicated that this species expanded throughout southeast Asia by migrating along a South India-South China-Japan axis, adapting to wide-ranging ecological conditions with diverse host plants and insecticides, surviving and adapting with the aid of its expanded detoxification systems. The findings of this study will enable the development of new pest management strategies for the control of major agricultural pests such as S. litura.

Helicoverpa armigera and Helicoverpa zea are major caterpillar pests of Old and New World agriculture, respectively. Both, particularly H. armigera, are extremely polyphagous, and H. armigera has developed resistance to many insecticides. Here we use comparative genomics, transcriptomics and resequencing to elucidate the genetic basis for their properties as pests. We find that, prior to their divergence about 1.5 Mya, the H. armigera/H. zea lineage had accumulated up to more than 100 more members of specific detoxification and digestion gene families and more than 100 extra gustatory receptor genes, compared to other lepidopterans with narrower host ranges. The two genomes remain very similar in gene content and order, but H. armigera is more polymorphic overall, and H. zea has lost several detoxification genes, as well as about 50 gustatory receptor genes. It also lacks certain genes and alleles conferring insecticide resistance found in H. armigera. Non-synonymous sites in the expanded gene families above are rapidly diverging, both between paralogues and between orthologues in the two species. Whole genome transcriptomic analyses of H. armigera larvae show widely divergent responses to different host plants, including responses among many of the duplicated detoxification and digestion genes. The extreme polyphagy of the two heliothines is associated with extensive amplification and neofunctionalisation of genes involved in host finding and use, coupled with versatile transcriptional responses on different hosts. H. armigera’s invasion of the Americas in recent years means that hybridisation could generate populations that are both locally adapted and insecticide resistant.

Emergence of polyphagous herbivorous insects entails significant adaptation to recognize, detoxify and digest a variety of host-plants. Despite of its biological and practical importance - since insects eat 20% of crops - no exhaustive analysis of gene repertoires required for adaptations in generalist insect herbivores has previously been performed. The noctuid moth Spodoptera frugiperda ranks as one of the world's worst agricultural pests. This insect is polyphagous while the majority of other lepidopteran herbivores are specialist. It consists of two morphologically indistinguishable strains ("C" and "R") that have different host plant ranges. To describe the evolutionary mechanisms that both enable the emergence of polyphagous herbivory and lead to the shift in the host preference, we analyzed whole genome sequences from laboratory and natural populations of both strains. We observed huge expansions of genes associated with chemosensation and detoxification compared with specialist Lepidoptera. These expansions are largely due to tandem duplication, a possible adaptation mechanism enabling polyphagy. Individuals from natural C and R populations show significant genomic differentiation. We found signatures of positive selection in genes involved in chemoreception, detoxification and digestion, and copy number variation in the two latter gene families, suggesting an adaptive role for structural variation.

Abstract Sex pheromone receptors (PRs) are key players in chemical communication between mating partners in insects. In the highly diversified insect order Lepidoptera, male PRs tuned to female-emitted type I pheromones (which make up the vast majority of pheromones identified) form a dedicated subfamily of odorant receptors (ORs). Here, using a combination of heterologous expression and in vivo genome editing methods, we bring functional evidence that at least one moth PR does not belong to this subfamily but to a distantly related OR lineage. This PR, identified in the cotton leafworm Spodoptera littoralis , is over-expressed in male antennae and is specifically tuned to the major sex pheromone component emitted by females. Together with a comprehensive phylogenetic analysis of moth ORs, our functional data suggest two independent apparitions of PRs tuned to type I pheromones in Lepidoptera, opening up a new path for studying the evolution of moth pheromone communication.

Abstract Palm trees are of immense economic, sociocultural, touristic and patrimonial significance all over the world, and date palm-related knowledge, traditions and practices are now included in UNESCO’s list of the Intangible Cultural Heritage of Humanity. Of all the pests that infest these trees, the red palm weevil (RPW), Rhynchophorus ferrugineus (Olivier) is its primary enemy. The RPW is a category-1 quarantine insect pest that causes enormous economic losses in the cultivation of palm trees worldwide. The RPW synchronizes mass gathering on the palm tree for feeding and mating, regulated by a male-produced pheromone composed of two methyl-branched compounds, (4 RS ,5 RS )-4-methylnonan-5-ol (ferrugineol) and 4( RS )-methylnonan-5-one (ferrugineone). Despite the importance of odorant detection in long-range orientation towards palm trees, palm colonization and mating, nothing regarding the molecular mechanisms of pheromone detection in this species is known. In this study, we report the identification and characterization of the first RPW pheromone receptor, RferOR1 . Using gene silencing and functional expression in Drosophila olfactory receptor neurons, we demonstrate that RferOR1 is tuned to both ferrugineol and ferrugineone and binds five other structurally related molecules. We reveal the lifetime expression of RferOR1 , which correlates with adult mating success irrespective of age, a factor that could explain the wide distribution and spread of this pest. As palm weevils are challenging to control based on conventional methods, elucidation of the mechanisms of pheromone detection opens new routes for mating disruption and the early detection of this pest via the development of pheromone receptor-based biosensors.

Abstract The reverse chemical ecology approach facilitates sustainable plant protection by identifying odorant receptors (ORs) tuned to odorants, especially the volatile molecules emitted from host plants that insects use for detection. A few studies have explored such an approach to develop sustainable pest management programs, especially in host-specialized insect species. We revealed the molecular mechanism of host plant detection of a destructive, invasive insect pest of palm trees (Arecaceae), the Asian palm weevil ( Rhynchophorus ferrugineus ), by deorphanizing an OR (RferOR2) tuned to several palm-emitted odors. We found that RferOR2 responded explicitly to several ecologically relevant palm-emitted odors and significantly to palm esters when transgenically expressed in Drosophila olfactory neurons. We mapped RferOR2 expression in the R. ferrugineus genome and found that odor specificity is likely to develop equally in both sexes. We inferred that the semiochemicals that attract palm weevils to a palm tree might aid in weevil control efforts by improving attraction, enticing many palm weevils to the traps. We demonstrate that including synthetic palm volatiles in pheromone-based mass trapping has a synergistic effect on pheromones, resulting in significantly increased weevil catches. We proved that insect OR deorphanization could aid in the identification of novel behaviorally active volatiles for inclusion in pest management. These results suggest that targeting RferOR2 may help design receptor antagonists that can interfere with weevil host-searching behavior in sustainable pest management applications. Significance Asian and South American palm weevils are tremendously important agricultural pests primarily adapted to palm trees and cause severe destruction, threatening sustainable palm cultivation worldwide. The host plant selection of these weevils is mainly attributed to functional specialization of odorant receptors that detect palm-derived volatiles. We unraveled the intricacies of weevil–palm tree communication by deorphanizing an odorant receptor tuned to natural palm-emitted odors. We used palm ester volatiles, which produced a significant response in the functional studies, and proved their synergistic effect on the pheromone coinciding with increased weevil catches in the field. We revealed that insect odorant receptor deorphanization could help identify novel behaviorally active volatiles (reverse chemical ecology) for sustainable palm protection.

Abstract Background The rice weevil Sitophilus oryzae is one of the most important agricultural pests, causing extensive damage to cereal in fields and to stored grains. S. oryzae has an intracellular symbiotic relationship (endosymbiosis) with the Gram-negative bacterium Sodalis pierantonius and is a valuable model to decipher host-symbiont molecular interactions. Results We sequenced the Sitophilus oryzae genome using a combination of short and long reads to produce the best assembly for a Curculionidae species to date. We show that S. oryzae has undergone successive bursts of transposable element (TE) amplification, representing 72% of the genome. In addition, we show that many TE families are transcriptionally active, and changes in their expression are associated with insect endosymbiotic state. S. oryzae has undergone a high gene expansion rate, when compared to other beetles. Reconstruction of host-symbiont metabolic networks revealed that, despite its recent association with cereal weevils (30 Kyear), S. pierantonius relies on the host for several amino acids and nucleotides to survive and to produce vitamins and essential amino-acids required for insect development and cuticle biosynthesis. Conclusions Here we present the genome of an agricultural pest beetle, which may act as a foundation for pest control. In addition, S. oryzae may be a useful model for endosymbiosis, and studying TE evolution and regulation, along with the impact of TEs on eukaryotic genomes.

Abstract The bitter taste, triggered via gustatory receptors, serves as an important natural defense against the ingestion of poisonous foods in animals, and the diversity of food diet is usually linked to an increase in the number of gustatory receptor genes. This has been especially observed in polyphagous insect species, such as noctuid species from the Spodoptera genus. However, the dynamic and physical mechanisms leading to these gene expansions and the evolutionary pressures behind them remain elusive. Among major drivers of genome dynamics are the transposable elements but, surprisingly, their potential role in insect gustatory receptors expansion has not been considered yet. In this work, we hypothesized that transposable elements and possibly positive selection would be involved in the active dynamic of gustatory receptor evolution in Spodoptera spp . We first sequenced de novo the full 465Mb genome of S. littoralis , and manually annotated all chemosensory genes, including a large repertoire of 373 gustatory receptor genes (including 19 pseudogenes). We also improved the completeness of S. frugiperda and S. litura gustatory receptor repertoires. Then, we annotated transposable elements and revealed that a particular category of class I retrotransposons, the SINE transposons, was significantly enriched in the vicinity of gustatory receptor gene clusters, suggesting a transposon-mediated mechanism for the formation of these clusters. Selection pressure analyses indicated that positive selection within the gustatory receptor gene family is cryptic, only 7 receptors being identified as positively selected. Altogether, our data provide a new good quality Spodoptera genome, pinpoint interesting gustatory receptor candidates for further functional studies and bring valuable genomic information on the mechanisms of gustatory receptor expansions in polyphagous insect species.