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20 countries on four continents based on a combination of 121 unpublished and 150 previously published genomic datasets.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 Recently it has been proposed, that the holobiont, i.e., the host and its associated microbiome, constitute a distinct biological entity, on which selection operates. This is a fascinating idea that so far has limited empirical justification. Here Drosophila melanogaster lines from a large-scale artificial selection experiment, where we selected for stress resistance traits and for longevity, were used to test the hologenome hypothesis. We raised flies from all selection regimes, including a regime where flies were kept at benign standard laboratory condition (control regime) throughout the duration of the experiment, under common garden conditions and sequenced the microbiome of the flies. We found abundant differences in microbial communities between control and selection regimes, but not between replicate lines within the regimes, and microbial diversity was higher in selected relative to control lines. Several major core Drosophila bacterial species were differentially abundant in the different selection regimes despite flies being exposed to similar nutritional and general environmental conditions. Our results support the idea that the host and microbiome genomes have evolved in concert and provide experimental support for the hologenome theory of evolution.

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.

Abstract A dominant perception is that small and motile ectothermic animals must use behavior to avoid exposure to critical or sub-critical temperatures impairing physiological performance. Concomitantly, volunteer exploration of extreme environments by some individuals may promote physiological adjustments and enhance ecological opportunity. Here we introduce to the literature a Thermal Decision System (TDS) which is fully modular, thermally stable, versatile, and adaptable to study navigation through thermal landscapes in insects and other small motile animals. We used a specific setting of the TDS to investigate volunteer navigation through critical cold and hot temperatures in Drosophila melanogaster . We demonstrate that a thermally bold behavior (volunteer crossings through a Critical Temperature Zone, CTZ) characterized a fraction of flies in a sample, and that such a fraction was higher in an outbred population relative to isofemale lines. As set, the TDS generated a thermal gradient within the cold and hot CTZs, and the exploration of this gradient by flies did not relate simply with a tendency to be thermally bold. Mild fasting affected thermal exploration and boldness in complex manners, but thermal boldness was evident in both fasted and fed flies. Also, thermal boldness was not associated with individual critical temperatures. Finally, some flies showed consistent thermal boldness, as flies that performed an extreme thermal cross were more likely to perform a second cross compared with untested flies. We hypothesize that a simple “avoidance principle” is not the only behavioral drive for D. melanogaster facing extreme temperatures over space, and that this pattern may characterize other small motile ectothermic animals with analogous natural history. The physiological correlates, genetic architecture, and interspecific variation of thermal boldness deserve further consideration.

Abstract Growing summer season and increased anthropogenic activities pose a continual challenge to resident species. Ectotherms like insects are especially vulnerable to rapid climatic changes. High-altitude tropical insect populations have been rarely examined for their responses to high-temperature. We exposed a tropical out-bred highland population of Drosophila melanogaster from the Himalayas to growing summer conditions in outdoor mesocosm units. Population response to thermal changes was tracked over ninety days at both phenotypic and genotypic level. Whole genomic resequencing data suggested a clear seasonal shift in allele frequencies. Interestingly, the general heat responsive genes were missing in the summer due to monsoon allele shift; an atypical response noted for high-altitude tropical populations. Instead, candidates involved in kinases and phosphorylation emerged as key players. Heat-knockdown time decreased over time indicating a limited ability to handle increasing temperature. Merging data from both allelic shifts and heat-knockdown time indicated a limited capacity for high-altitude insects in coping with climate warming.

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.