ABSTRACT High quality reference genomes are crucial to understanding genome function, structure and evolution. The availability of reference genomes has allowed us to start inferring the role of genetic variation in biology, disease, and biodiversity conservation. However, analyses across organisms demonstrate that a single reference genome is not enough to capture the global genetic diversity present in populations. In this work, we generated 32 high-quality reference genomes for the well-known model species D. melanogaster and focused on the identification and analysis of transposable element variation as they are the most common type of structural variant. We showed that integrating the genetic variation across natural populations from five climatic regions increases the number of detected insertions by 58%. Moreover, 26% to 57% of the insertions identified using long-reads were missed by short-reads methods. We also identified hundreds of transposable elements associated with gene expression variation and new TE variants likely to contribute to adaptive evolution in this species. Our results highlight the importance of incorporating the genetic variation present in natural populations to genomic studies, which is essential if we are to understand how genomes function and evolve.

ABSTRACT Background Climate change is one of the main factors shaping the distribution and biodiversity of organisms, among others by greatly altering water availability, thus exposing species and ecosystems to harsh desiccation conditions. Insects are especially threatened by these challenging dry environments, because of their small size and thus large surface area to volume ratio. Integrating transcriptomics and physiology is key to advancing our knowledge on how species cope with desiccation stress, and these studies are still best accomplished in model organisms. Results Here, we characterized the natural variation of European D. melanogaster populations across climate zones and found that strains from arid regions were similar or more tolerant to desiccation compared with strains from temperate regions. Tolerant and sensitive strains differed not only in their transcriptomic response to stress but also in their basal expression levels. We further showed that gene expression changes in tolerant strains correlated with their physiological response to desiccation stress and with their cuticular hydrocarbon composition. Transposable elements, which are known to influence stress response across organisms, were not found to be enriched nearby differentially expressed genes. Finally, we identified several tRNA-derived small RNA fragments that differentially targeted genes in response to desiccation stress. Conclusions Our results showed that by integrating transcriptomics with physiological trait analysis we can pinpoint the genetic basis of the differences in tolerance to desiccation stress found in natural D. melanogaster populations. Moreover, we showed that, beyond starvation and aging, tRNA-derived small RNA fragments (tRFs) appear to be relevant post-transcriptional gene regulators in response to desiccation stress.

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 Increases in industrialization and anthropogenic activity have resulted in an increase of pollutants released into the environment. Of these pollutants, heavy metals such as copper are particularly concerning due to their bio-accumulative nature. Due to its highly heterogeneous distribution and its dual nature as an essential micronutrient and toxic element, the genetic basis of copper tolerance is likely shaped by a complex interplay of genetic and environmental factors. In this study, we utilized the natural variation present in multiple populations of Drosophila melanogaster collected across Europe to screen for variation in copper tolerance. We found that latitude and the degree of urbanization at the collection sites, rather than any other combination of environmental factors, were linked to copper tolerance. While previously identified copper-related genes were not differentially expressed in tolerant vs . sensitive strains, genes involved in metabolism, reproduction, and protease induction contributed to the differential stress response. Additionally, the greatest transcriptomic and physiological responses to copper toxicity were seen in the midgut; where we found that preservation of gut acidity is strongly linked to greater tolerance. Finally, we identified transposable element insertions likely to play a role in copper stress response. Overall, by combining genome-wide approaches with environmental association analysis, and functional analysis of candidate genes, our study provides a unique perspective on the genetic and environmental factors that shape copper tolerance in natural D. melanogaster populations, and identifies new genes, transposable elements and physiological traits involved in this complex phenotype.

Abstract The advent of long-read sequencing technologies has allowed the generation of multiple high-quality de novo genome assemblies for multiple species, including well-known model species such as Drosophila melanogaster . Genome assemblies for multiple individuals of the same species are key to discover the genetic diversity present in natural populations, especially the one generated by transposable elements, the most common type of structural variant. Despite the availability of multiple genomic datasets for D. melanogaster populations, we lack an efficient visual tool to display different genomes assemblies simultaneously. In this work, we present DrosOmics, a comparative genomics-oriented browser for 52 high-quality reference genomes of D. melanogaster , including annotations from a highly reliable set of transposable elements, and functional transcriptomics and epigenomics data for half the populations. DrosOmics is based on JBrowse 2, which allows the visualization of multiple assemblies at once, key to unraveling structural and functional features of D. melanogaster natural populations.

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 This note details the consortium’s rationale behind its decision to modify the metadata for putatively misidentified European samples in the DrosRTEC dataset. In brief, we use PCA on published datasets from North America and Europe to generate phylogeographic clusters reflective of worldwide D. melanogaster demography. We used this PCA to train a DAPC model in order the predict the group membership. Our results indicate that 4 out of 73 samples were misclassified and the metadata was updated accordingly. These samples are a spring-fall pair from Spain and Austria.

ABSTRACT Transcriptomes are dynamic, with cells, tissues, and body parts expressing particular sets of transcripts. Transposons are a known source of transcriptome diversity, however studies often focus on a particular type of chimeric transcript, analyze single body parts or cell types, or are based on incomplete transposon annotations from a single reference genome. In this work, we have implemented a method based on de novo transcriptome assembly that minimizes the potential sources of errors while identifying a comprehensive set of gene-TE chimeras. We applied this method to head, gut and ovary dissected from five Drosophila melanogaster natural strains, with individual reference genomes available. We found that ∼19% of body part- specific transcripts are gene-TE chimeras. Overall, chimeric transcripts contribute a mean of 43% to the total gene expression, and they provide DNA binding, catalytic activity, and DNA polymerase activity protein domains. Our comprehensive dataset is a rich resource for follow- up analysis. Moreover, because transposable elements are present in virtually all species sequenced to date, their relevant role in spatially restricted transcript expression is likely not exclusive to the species analyzed in this work.

Abstract The first winged insects underwent profound morphological and functional transformations leading to the most successful animal radiations in the history of earth. Despite this, we still have a very incomplete picture of the changes in their genomes that underlay this radiation. Mayflies (Ephemeroptera) are one of the extant sister groups of all other winged insects and therefore are at a key phylogenetic position to understand this radiation. Here, we describe the genome of the cosmopolitan mayfly Cloeon dipterum and study its expression along development and in specific organs. We discover an expansion of odorant-binding proteins, some expressed specifically in the breathing gills of aquatic nymphs, suggesting a novel sensory role for gills. In contrast, as flying adults, mayflies make use of an enlarged set of opsins and utilise these visual genes in a sexually dimorphic manner, with some opsins expressed only in males. Finally, to illuminate the origin of wings, we identify a core set of deeply conserved wing-specific genes at the root of the pterygote insects. Globally, this is the first comprehensive study of the structure and expression of the genome of a paleopteran insect and shows how its genome has kept a record of its functional adaptations.

ABSTRACT Background Variation in gene expression underlies interindividual variability in relevant traits including immune response. However, the genetic variation responsible for these gene expression changes remain largely unknown. Among the non-coding variants that could be relevant, transposable element insertions are promising candidates as they have been shown to be a rich and diverse source of cis-regulatory elements. Results In this work, we used a population genetics approach to identify transposable element insertions likely to increase the tolerance of Drosophila melanogaster to bacterial infection by affecting the expression of immune-related genes. We identified 12 insertions associated with allele-specific expression changes in immune-related genes. We experimentally validated three of these insertions including one likely to be acting as a silencer, one as an enhancer, and one with a dual role as enhancer and promoter. The direction in the change of gene expression associated with the presence of several of these insertions was consistent with an increased survival to infection. Indeed, for one of the insertions, we showed that this is the case by analyzing both natural populations and CRISPR/Cas9 mutants in which the insertion was deleted from its native genomic context. Conclusions We showed that transposable elements contribute to gene expression variation in response to infection in D. melanogaster and that this variation is likely to affect their survival capacity. Because the role of transposable elements as regulatory elements is not restricted to Drosophila, TEs are likely to play a role in immune response in other organisms as well.