Abstract Drosophila melanogaster is a leading model in population genetics and genomics, and a growing number of whole-genome datasets from natural populations of this species have been published over the last 20 years. A major challenge is the integration of these disparate datasets, often generated using different sequencing technologies and bioinformatic pipelines, which hampers our ability to address questions about the evolution and population structure of this species. Here we address these issues by developing a bioinformatics pipeline that maps pooled sequencing (Pool-Seq) reads from D. melanogaster to a hologenome consisting of fly and symbiont genomes and estimates allele frequencies using either a heuristic (PoolSNP) or a probabilistic variant caller (SNAPE-pooled). We use this pipeline to generate the largest data repository of genomic data available for D. melanogaster to date, encompassing 271 population samples from over 100 locations in >20 countries on four continents based on a combination of 121 unpublished and 150 previously published genomic datasets. Several of these locations have been sampled at different seasons across multiple years. This dataset, which we call Drosophila Evolution over Space and Time (DEST), is coupled with sampling and environmental meta-data. A web-based genome browser and web portal provide easy access to the SNP dataset. Our aim is to provide this scalable platform as a community resource which can be easily extended via future efforts for an even more extensive cosmopolitan dataset. Our resource will enable population geneticists to analyze spatio-temporal genetic patterns and evolutionary dynamics of D. melanogaster populations in unprecedented detail.

Abstract Drosophila melanogaster is an important model for antiviral immunity in arthropods, but very few DNA viruses have been described from the family Drosophilidae. This deficiency limits our opportunity to use natural host-pathogen combinations in experimental studies, and may bias our understanding of the Drosophila virome. Here we report fourteen DNA viruses detected in a metagenomic analysis of approximately 6500 pool-sequenced Drosophila , sampled from 47 European locations between 2014 and 2016. These include three new Nudiviruses, a new and divergent Entomopox virus, a virus related to Leptopilina boulardi filamentous virus, and a virus related to Musca domestica salivary gland hypertrophy virus. We also find an endogenous genomic copy of Galbut virus, a dsRNA Partitivirus, segregating at very low frequency. Remarkably, we find that Drosophila Vesanto virus, a small DNA virus previously described as a Bidnavirus, may be composed of up to 12 segments and represent a new lineage of segmented DNA viruses. Two of the DNA viruses, Drosophila Kallithea nudivirus and Drosophila Vesanto virus are relatively common, found in 2% or more of wild flies. The others are rare, with many likely to be represented by a single infected fly. We find that virus prevalence in Europe reflects the prevalence seen in publicly-available datasets, with Drosophila Kallithea nudivirus and Drosophila Vesanto virus the only ones commonly detectable in public data from wild-caught flies and large population cages, and the other viruses being rare or absent. These analyses suggest that DNA viruses are at lower prevalence than RNA viruses in D. melanogaster , and may be less likely to persist in laboratory cultures. Our findings go some way to redressing an earlier bias toward RNA virus studies in Drosophila , and lay the foundation needed to harness the power of Drosophila as a model system for the study of DNA viruses.

The Drosophila melanogaster P transposable element provides one of the best cases of horizontal transfer of a mobile DNA sequence in eukaryotes. Invasion of natural populations by the P element has led to a syndrome of phenotypes known as P-M hybrid dysgenesis that emerges when strains differing in their P element composition mate and produce offspring. Despite extensive research on many aspects of P element biology, many questions remain about the genomic basis of variation in P-M dysgenesis phenotypes in natural populations. Here we compare gonadal dysgenesis phenotypes and genomic P element predictions for isofemale strains obtained from three worldwide populations of D. melanogaster to illuminate the molecular basis of natural variation in cytotype status. We show that the number of predicted P element insertions in genome sequences from isofemale strains is highly correlated across different bioinformatics methods, but the absolute number of insertions per strain is sensitive to method and filtering strategies. Regardless of method used, we find that the number of euchromatic P element insertions predicted per strain varies significantly across populations, with strains from a North American population having fewer P element insertions than strains from populations sampled in Europe or Africa. Despite these geographic differences, numbers of euchromatic P element insertions are not strongly correlated with the degree of gonadal dysgenesis exhibited by an isofemale strain. Thus, variation in P element insertion numbers across different populations does not necessarily lead to corresponding geographic differences in gonadal dysgenesis phenotypes. Additionally, we show that pool-seq samples can uncover population differences in the number of P element insertions observed from isofemale lines, but that efforts to rigorously detect differences in the number of P elements across populations using pool-seq data must properly control for read depth per strain. Our work supports the view that euchromatic P element copy number is not sufficient to explain variation in gonadal dysgenesis across strains of D. melanogaster, and informs future efforts to decode the genomic basis of geographic and temporal differences in P element induced phenotypes

To advance our understanding of adaptation to temporally varying selection pressures, we identified signatures of seasonal adaptation occurring in parallel among Drosophila melanogaster populations. To study these evolutionary dynamics, we estimated allele frequencies genome-wide from flies sampled early and late in the growing season from 20 widely dispersed populations. We identify parallel seasonal allele frequency shifts across North America and Europe, demonstrating that seasonal adaptation is a general phenomenon of temperate fly populations. The direction of allele frequency change at seasonally variable polymorphisms can be predicted by weather conditions in the weeks prior to sampling, linking the environment and the genomic response to selection. The extent of allele frequency fluctuations implies that seasonal evolution drives substantial (5-10%) allele frequency fluctuations at >1% of common polymorphisms across the genome. Our results suggest that fluctuating selection is an important evolutionary force affecting the extent and stability of linked and functional variation.

Genetic variation is the fuel of evolution, with standing genetic variation especially important for short-term evolution and local adaptation. To date, studies of spatio-temporal patterns of genetic variation in natural populations have been challenging, as comprehensive sampling is logistically difficult, and sequencing of entire populations costly. Here, we address these issues using a collaborative approach, sequencing 48 pooled population samples from 32 locations, and perform the first continent-wide genomic analysis of genetic variation in European Drosophila melanogaster . Our analyses uncover longitudinal population structure, provide evidence for continent-wide selective sweeps, identify candidate genes for local climate adaptation, and document clines in chromosomal inversion and transposable element frequencies. We also characterise variation among populations in the composition of the fly microbiome, and identify five new DNA viruses in our samples.

The Drosophila melanogaster P transposable element provides one of the best cases of horizontal transfer of a mobile DNA sequence in eukaryotes. Invasion of natural populations by the P element has led to a syndrome of phenotypes known as “P-M hybrid dysgenesis” that emerges when strains differing in their P element composition mate and produce offspring. Despite extensive research on many aspects of P element biology, questions remain about the stability and genomic basis of variation in P-M dysgenesis phenotypes. Here we report the P-M status for a number of populations sampled recently from Ukraine that appear to be undergoing a shift in their P element composition. Gondal dysgenesis assays reveal that Ukrainian populations of D. melanogaster are currently dominated by the P’ cytotype, a cytotype that was previously thought to be rare in nature, suggesting that a new active form of the P element has recently spread in this region. We also compared gondal dysgenesis phenotypes and genomic P element predictions for isofemale strains obtained from three worldwide populations of D. melanogaster in order to guide further work on the molecular basis of differences in cytotype status across populations. We find that the number of euchromatic P elements per strain can vary significantly across populations but that total P element numbers are not strongly correlated with the degree of gondal dysgenesis. Our work shows that rapid changes in cytotype status can occur in natural populations of D. melanogaster, and informs future efforts to decode the genomic basis of geographic and temporal differences in P element induced phenotypes

The vascular plant Deschampsia antarctica samples were collected for endophytic bacteria study from two regions in the maritime Antarctic 400 km distant from one another: Point Thomas oasis (King George Island) and Argentine Islands (Galindez Island). The endophytes were isolated from roots and leaves of D. antarctica, cultivated and identified by using a partial sequencing of the 16S rRNA gene served as a phylomarker. Endophyte isolates from two sites of Galindez Island were represented mainly by Pseudomonas species and by Gammaproteobacteria, Firmicutes and Actinobacteria. The vast majority of the isolates had specific for endophytes cellulase and pectinase activities, however, Bacillus spp. did not express both activities. A group-specific PCR screening at the four sites of Galindez Island and two sites of King George Island, indicated Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Firmicutes, Cytophaga-Flavobacteria and Actinobacteria. Notably, the number of endophytic bacteria taxa was significantly larger in leaves than in roots of plants.