Abstract Adult honeybees harbor a specialized gut microbiota of relatively low complexity. While seasonal differences in community composition have been reported, previous studies have focused on compositional changes rather than differences in absolute bacterial loads. Moreover, little is known about the gut microbiota of winter bees, which live much longer than bees during the foraging season, and which are critical for colony survival. We quantified seven core members of the bee gut microbiota in a single colony over 2 years and characterized the community composition in 14 colonies during summer and winter. Our data show that total bacterial loads substantially differ between foragers, nurses, and winter bees. Long-lived winter bees had the highest bacterial loads and the lowest community α-diversity, with a characteristic shift toward high levels of Bartonella and Commensalibacter, and a reduction of opportunistic colonizers. Using gnotobiotic bee experiments, we show that diet is a major contributor to the observed differences in bacterial loads. Overall, our study reveals that the gut microbiota of winter bees is remarkably different from foragers and nurses. Considering the importance of winter bees for colony survival, future work should focus on the role of the gut microbiota in winter bee health and disease.

Abstract Suppressed recombination around a sex-determining locus allows divergence between homologous sex chromosomes and the functionality of their genes. Here, we reveal patterns of the earliest stages of sex-chromosome evolution in the diploid dioecious herb Mercurialis annua on the basis of cytological analysis, de novo genome assembly and annotation, genetic mapping, exome resequencing of natural populations, and transcriptome analysis. Both genetic mapping and exome resequencing of individuals across the species range independently identified the largest linkage group, LG1, as the sex chromosome. Although the sex chromosomes of M. annua are karyotypically homomorphic, we estimate that about a third of the Y chromosome has ceased recombining, a region containing 568 transcripts and spanning 22.3 cM in the corresponding female map. Patterns of gene expression hint at the possible role of sexually antagonistic selection in having favored suppressed recombination. In total, the genome assembly contained 34,105 expressed genes, of which 10,076 were assigned to linkage groups. There was limited evidence of Y-chromosome degeneration in terms of gene loss and pseudogenization, but sequence divergence between the X and Y copies of many sex-linked genes was higher than between M. annua and its dioecious sister species M. huetii with which it shares a sex-determining region. The Mendelian inheritance of sex in interspecific crosses, combined with the other observed pattern, suggest that the M. annua Y chromosome has at least two evolutionary strata: a small old stratum shared with M. huetii , and a more recent larger stratum that is probably unique to M. annua and that stopped recombining about one million years ago. Article summary Plants that evolved separate sexes (dioecy) recently are ideal models for studying the early stages of sex-chromosome evolution. Here, we use karyological, whole genome and transcriptome data to characterize the homomorphic sex chromosomes of the annual dioecious plant Mercurialis annua . Our analysis reveals many typical hallmarks of dioecy and sex-chromosome evolution, including sex-biased gene expression and high X/Y sequence divergence, yet few premature stop codons in Y-linked genes and very little outright gene loss, despite 1/3 of the sex chromosome having ceased recombination in males. Our results confirm that the M. annua species complex is a fertile system for probing early stages in the evolution of sex chromosomes.

Various bacteria of the family Acetobacteraceae are associated with the gut environment of insects. Honey bees harbor two distinct Acetobacteraceae in their gut, Alpha2.1 and Alpha2.2. While Alpha2.1 seems to be a gut specialist, Alpha2.2 is also found in the diet (e.g. royal jelly), the hypopharyngeal glands, and the larvae of honey bees. Here, we combined amplicon and genome sequencing to better understand functional differences associated with the ecology of Alpha2.1 and Alpha2.2. We find that the two phylotypes are differentially distributed along the worker and queen bee gut. Phylogenetic analysis shows that Alpha2.2 is nested within the acetic acid bacteria and consists of two separate sub-lineages, whereas Alpha2.1 belongs to a basal lineage with an unusual GC content for Acetobacteraceae. Gene content analysis revealed major differences in the central carbon and respiratory metabolism between the two phylotypes. While Alpha2.2 encodes two periplasmic dehydrogenases to carry out oxidative fermentation, Alpha2.1 lacks this capability, but instead harbors a diverse set of cytoplasmic dehydrogenases. These differences are accompanied by the loss of the TCA cycle in Alpha2.2, but not in Alpha2.1. We speculate that Alpha2.2 has specialized for fast-resource utilization through incomplete carbohydrate oxidation, giving it an advantage in sugar-rich environments such as royal jelly. On the contrary, the broader metabolic range of Alpha2.1 may provide an advantage in the worker bee hindgut, where competition with other bacteria and flexibility in resource utilization may be relevant for persistence. Our results show that bacteria belonging to the same family may utilize vastly different strategies to colonize niches associated with the animal gut.

Adult honey bees harbor a specialized gut microbiota of relatively low complexity. While seasonal differences in community composition have been reported, previous studies have focused on compositional changes rather than differences in absolute bacterial loads. Moreover, little is known about the gut microbiota of winter bees, which live much longer than bees during the foraging season, and which are critical for colony survival. We quantified seven core members of the bee gut microbiota in a single colony over two years and characterized the community composition in 14 colonies during summer and winter. Our data shows that total bacterial loads substantially differ between foragers, nurses, and winter bees. Long-lived winter bees had the highest bacterial loads and the lowest community α-diversity, with a characteristic shift towards high levels of Bartonella and Commensalibacter , and a reduction of opportunistic colonizers. Using gnotobiotic bee experiments, we show that diet is a major contributor to the observed differences in bacterial loads. Overall, our study reveals that the gut microbiota of winter bees is remarkably different from foragers and nurses. Considering the importance of winter bees for colony survival, future work should focus on the role of the gut microbiota in winter bee health and disease.

Bacteria that engage in longstanding associations with particular hosts are expected to evolve host-specific adaptations that limit their capacity to thrive in other environments. Consistent with this, many gut symbionts seem to have a limited host range, based on community profiling and phylogenomics. However, few studies have experimentally investigated host specialization of gut symbionts and underlying mechanisms have largely remained elusive. Here, we studied host specialization of a dominant gut symbiont of social bees, Lactobacillus Firm5. We show that Firm5 strains isolated from honey bees and bumble bees separate into deep-branching host-specific phylogenetic lineages. Despite their divergent evolution, colonization experiments show that bumble bee strains are capable of colonizing the honey bee gut. However, they were less successful than honey bee strains, and competition with honey bee strains completely abolished their colonization. In contrast honey bee strains of divergent phylogenetic lineages were able to coexist within individual bees. This suggests that both host selection and interbacterial competition play important roles for host specialization. Using comparative genomics of 27 Firm5 isolates, we found that the genomes of honey bee strains harbor more carbohydrate-related functions than bumble bee strains, possibly providing a competitive advantage in the honey bee gut. Remarkably, most of the genes encoding carbohydrate-related functions were not conserved among the honey bee strains, which suggests that honey bees can support a metabolically more diverse community of Firm5 strains than bumble bees. These findings advance our understanding of genomic changes underlying host specialization.

Abstract Bacteria colonize specific niches in the animal gut. However, the genetic basis of these associations is often unclear. The proteobacterium Frischella perrara is a widely distributed gut symbiont of honey bees. It colonizes a specific niche in the hindgut and causes a characteristic melanization response. Genetic determinants required for the establishment of this association, or its relevance for the host, are unknown. Here, we independently isolated three point mutations in genes encoding the DNA-binding protein integration host factor (IHF) in F. perrara . These mutants abolished the production of an aryl polyene metabolite causing the yellow colony morphotype of F. perrara . Inoculation of microbiota-free bees with one of the mutants drastically decreased gut colonization of F. perrara . Using RNAseq we found that IHF affects the expression of potential colonization factors, including genes for adhesion (Type 4 pili), interbacterial competition (Type 6 secretion systems), and secondary metabolite production (colibactin and aryl polyene biosynthesis). Gene deletions of these components revealed different colonization defects depending on the presence of other bee gut bacteria. Interestingly, one of the T6SS mutants did not induce the scab phenotype anymore, despite colonizing at high levels, suggesting an unexpected role in bacteria-host interaction. IHF is conserved across many bacteria and may also regulate host colonization in other animal symbionts.