Abstract Most of our knowledge of insect genomes comes from Holometabolous species, which undergo the complete metamorphosis and have genomes under 2Gb with little signs of DNA methylation. In contrast, Hemiemetabolous insects undergo the ancestral incomplete metamorphosis and have larger genomes with high levels of DNA methylation. Hemimetabolous species from the Orthopteran order (grasshoppers and crickets) have some of the largest insect genomes. What drives the evolution of these unusual insect genome sizes, remains unknown. Here we report the sequencing, assembly and annotation of the 1.66-Gb genome of the Mediterranean field cricket Gryllus bimaculatus , and the annotation of the 1.60-Gb genome of the Hawaiian cricket Laupala kohalensis. We compare these two cricket genomes with those of 14 additional insects, and find evidence that hemimetabolous genomes expanded due to transposable element activity. Based on the ratio of observed to expected CpG sites, we find higher conservation and stronger purifying selection of methylated genes than non-methylated genes. Finally, our analysis suggests an expansion of the pickpocket class V gene family in crickets, which we speculate might play a role in the evolution of cricket courtship, including their characteristic chirping.

Abstract Studies of traditional model organisms like the fruit fly Drosophila melanogaster have contributed immensely to our understanding of the genetic basis of developmental processes. However, the generalizability of these findings cannot be confirmed without functional genetic analyses in additional organisms. Direct genome editing using targeted nucleases has the potential to transform hitherto poorly-understood organisms into viable laboratory organisms for functional genetic study. To this end, here we present a method to induce targeted genome knock-out and knock-in of desired sequences in an insect that serves as an informative contrast to Drosophila , the cricket Gryllus bimaculatus . The efficiency of germ line transmission of induced mutations is comparable to that reported for other well-studied laboratory organisms, and knock-ins targeting introns yield viable, fertile animals in which knock-in events are directly detectable by visualization of a fluorescent marker in the expression pattern of the targeted gene. Combined with the recently assembled and annotated genome of this cricket, this knock-in/knock-out method increases the viability of G. bimaculatus as a tractable system for functional genetics in a basally branching insect.

Hox genes are conserved transcription factor-encoding genes that specify the identity of body regions in bilaterally symmetrical animals. In the cricket Gryllus bimaculatus, a member of the hemimetabolous insect group Orthoptera, the induction of a subset of mesodermal cells to form the primordial germ cells (PGCs) is restricted to the second through the fourth abdominal segments (A2-A4). In numerous insect species, the Hox genes Sex-combs reduced (Scr), Antennapedia (Antp), Ultrabithorax (Ubx) and abdominal-A (abd-A) jointly regulate the identities of middle and posterior body segments, suggesting that these genes may restrict PGC formation to specific abdominal segments in Gryllus. Here we show that all of these Hox genes, either individually or in segment-specific combinations, restrict PGC formation. Our data provides evidence for a segmental Hox code used to regulate the placement of PGC formation, reminiscent of the segmental Hox codes used in other arthropod groups to establish other aspects of segmental identity. These data also provide, to our knowledge, the first evidence for this ancient group of genes in determining PGC placement within the context of axial patterning in any animal studied thus far.

Abstract Neofunctionalization of duplicated gene copies is thought to be an important process underlying the origin of evolutionary novelty and provides an elegant mechanism for the origin of new phenotypic traits. One putative case where a new gene copy has been linked to a novel morphological trait is the origin of the arachnid patella, a taxonomically restricted leg segment. In spiders, the origin of this segment has been linked to the origin of the paralog dachshund-2, suggesting that a new gene facilitated the expression of a new trait. However, various arachnid groups that possess patellae do not have a copy of dachshund-2, disfavoring the direct link between gene origin and trait origin. We investigated the developmental genetic basis for patellar patterning in the harvestman Phalangium opilio, which lacks dachshund-2. Here, we show that the harvestman patella is established by a novel expression domain of the transcription factor extradenticle. Leveraging this definition of patellar identity, we surveyed targeted groups across chelicerate phylogeny to assess when this trait evolved. We show that a patellar homolog is present in Pycnogonida (sea spiders) and various arachnid orders, suggesting a single origin of the patella in the ancestor of Chelicerata. A potential loss of the patella is observed in Ixodida. Our results suggest that the modification of an ancient gene, rather than the neofunctionalization of a new gene copy, underlies the origin of the patella. Broadly, this work underscores the value of comparative data and broad taxonomic sampling when testing hypotheses in evolutionary developmental biology.

Abstract Neofunctionalization of duplicated gene copies is thought to be an important process underlying the origin of evolutionary novelty and provides an elegant mechanism for the origin of new phenotypic traits. One putative case where a new gene copy has been linked to a novel morphological trait is the origin of the arachnid patella, a taxonomically restricted leg segment. In spiders, the origin of this segment has been linked to the origin of the paralog dachshund-2 , suggesting that a new gene facilitated the expression of a new trait. However, various arachnid groups that possess patellae do not have a copy of dachshund-2 , disfavoring the direct link between gene origin and trait origin. We investigated the developmental genetic basis for patellar patterning in the harvestman Phalangium opilio , which lacks dachshund-2 . Here, we show that the harvestman patella is established by a novel expression domain of the transcription factor extradenticle . Leveraging this definition of patellar identity, we surveyed targeted groups across chelicerate phylogeny to assess when this trait evolved. We show that a patellar homolog is present in Pycnogonida (sea spiders) and various arachnid orders, suggesting a single origin of the patella in the ancestor of Chelicerata. A potential loss of the patella is observed in Ixodida. Our results suggest that the modification of an ancient gene, rather than the neofunctionalization of a new gene copy, underlies the origin of the patella. Broadly, this work underscores the value of comparative data and broad taxonomic sampling when testing hypotheses in evolutionary developmental biology.

Abstract Conventional cancer chemotherapies are not fully efficacious and do not target tumors, leading to significant treatment-related morbidities. A number of genetically attenuated cancer-targeting bacteria are being developed to safely target tumors in vivo . Here we report the toxicological, tumor-targeting, and efficacy profiles of Salmonella enterica serovar Typhimurium CRC2631 in a syngeneic and autochthonous TRAMP model of aggressive prostate cancer. CRC2631 preferentially colonize primary and metastatic tumors in the TRAMP animals. In addition, longitudinal whole genome sequencing studies of CRC2631 recovered from prostate tumor tissues demonstrate that CRC2631 is genetically stable. Moreover, tumor-targeted CRC2631 generates an anti-tumor immune response. Combination of CRC2631 with checkpoint blockade reduces metastasis burden. Collectively, these findings demonstrate a potential for CRC2631 in cancer immunotherapy strategies.

Abstract Oribatid mites are a specious order of microarthropods within the subphylum Chelicerata, compromising about 11,000 described species. They are ubiquitously distributed across different microhabitats in all terrestrial ecosystems around the world and were among the first animals colonizing terrestrial habitats as decomposers and scavengers. Despite their species richness and ecological importance genomic resources are lacking for oribatids. Here, we present a 190-Mb genome assembly of the clonal, all-female oribatid mite species Archegozetes longisetosus Aoki, a model species used by numerous laboratories for the past 30 years. Comparative genomic and transcriptional analyses revealed patterns of reduced body segmentation and loss of segmental identity gene abd-A within Acariformes, and unexpected expression of key eye development genes in these eyeless mites across developmental stages. Consistent with their soil dwelling lifestyle, investigation of the sensory genes revealed a species-specific expansion of gustatory receptors, the largest chemoreceptor family in the genome used in olfaction, and evidence of horizontally transferred enzymes used in cell wall degradation of plant and fungal matter, both components of the A. longisetosus diet. Oribatid mites are also noted for their biosynthesis capacities and biochemical diversity. Using biochemical and genomic data, we were able to delineate the backbone biosynthesis of monoterpenes, an important class of compounds found in the major exocrine gland system of Oribatida – the oil glands. Given the mite’s strength as an experimental model, the new high-quality resources provided here will serve as the foundation for molecular research in Oribatida and will enable a broader understanding of chelicerate evolution.