The aromatic polymer lignin protects plants from most forms of microbial attack. Despite the fact that a significant fraction of all lignocellulose degraded passes through arthropod guts, the fate of lignin in these systems is not known. Using tetramethylammonium hydroxide thermochemolysis, we show lignin degradation by two insect species, the Asian longhorned beetle ( Anoplophora glabripennis ) and the Pacific dampwood termite ( Zootermopsis angusticollis ). In both the beetle and termite, significant levels of propyl side-chain oxidation (depolymerization) and demethylation of ring methoxyl groups is detected; for the termite, ring hydroxylation is also observed. In addition, culture-independent fungal gut community analysis of A. glabripennis identified a single species of fungus in the Fusarium solani / Nectria haematococca species complex. This is a soft-rot fungus that may be contributing to wood degradation. These results transform our understanding of lignin degradation by wood-feeding insects.

Relatively little is known about the genomic basis and evolution of wood-feeding in beetles. We undertook genome sequencing and annotation, gene expression assays, studies of plant cell wall degrading enzymes, and other functional and comparative studies of the Asian longhorned beetle, Anoplophora glabripennis, a globally significant invasive species capable of inflicting severe feeding damage on many important tree species. Complementary studies of genes encoding enzymes involved in digestion of woody plant tissues or detoxification of plant allelochemicals were undertaken with the genomes of 14 additional insects, including the newly sequenced emerald ash borer and bull-headed dung beetle. The Asian longhorned beetle genome encodes a uniquely diverse arsenal of enzymes that can degrade the main polysaccharide networks in plant cell walls, detoxify plant allelochemicals, and otherwise facilitate feeding on woody plants. It has the metabolic plasticity needed to feed on diverse plant species, contributing to its highly invasive nature. Large expansions of chemosensory genes involved in the reception of pheromones and plant kairomones are consistent with the complexity of chemical cues it uses to find host plants and mates. Amplification and functional divergence of genes associated with specialized feeding on plants, including genes originally obtained via horizontal gene transfer from fungi and bacteria, contributed to the addition, expansion, and enhancement of the metabolic repertoire of the Asian longhorned beetle, certain other phytophagous beetles, and to a lesser degree, other phytophagous insects. Our results thus begin to establish a genomic basis for the evolutionary success of beetles on plants.

Abstract The utility of a universal DNA ‘barcode’ fragment of 658 base pairs of the Cytochrome C Oxidase I (COI) gene for the recognition of all animal species has been a widely debated topic on theoretical and practical levels. Regardless of its challenges, large amounts of COI sequence data have been produced in the last two decades. To optimally use the data towards reliable species identification will require further steps to validate the method and reference libraries. The fruit fly tribe Dacini holds about a thousand species, of which eighty are pests of economic concern, including some of the world’s foremost fruit and vegetable pests, and there are many morphologically cryptic species complexes in the tribe. Where previous studies showed limited success in using COI to identify Dacini, our results with a highly curated morphological dataset indicate high congruence between morphology and COI: 90% of the species in our 5,576 sequences, 262-species global dataset can be identified with COI alone based on a monophyly criterion. However, in some key pest species belonging to complexes that were previously thought diagnosable with COI, we found that expanded sampling and independent validation of identifications using genomic data revealed introgression of mitochondrial DNA. We find that the informative SNPs are uniformly distributed across the COI gene, and we provide recommendations for standardization. We conclude that reliable molecular identifications with COI require extensive species coverage, population sampling, and genomics-supported reference identifications before they can be validated as a “diagnostic” marker for specific groups.

Abstract A central goal in evolutionary biology is to determine the predictability of adaptive genetic changes. Despite many documented cases of convergent evolution at individual loci, little is known about the repeatability of gene family expansions and contractions. To address this void, we examined gene family evolution in the redheaded pine sawfly Neodiprion lecontei , a non-eusocial hymenopteran and exemplar of a pine-specialized lineage evolved from angiosperm-feeding ancestors. After assembling and annotating a draft genome, we manually annotated multiple gene families with chemosensory, detoxification, or immunity functions and characterized their genomic distributions and evolutionary history. Our results suggest that expansions of bitter gustatory receptor (GR), clan 3 cytochrome P450 (CYP3), and antimicrobial peptide (AMP) subfamilies may have contributed to pine adaptation. By contrast, there was no evidence of recent gene family contraction via pseudogenization. Next, we compared the number of genes in these same families across insect taxa that vary in diet, dietary specialization, and social behavior. In Hymenoptera, herbivory was associated with small GR and olfactory receptor (OR) families, eusociality was associated with large OR and small AMP families, and—unlike investigations in more closely related taxa—ecological specialization was not related to gene family size. Overall, our results suggest that gene families that mediate ecological interactions may expand and contract predictably in response to particular selection pressures, however, the ecological drivers and temporal pace of gene gain and loss likely varies considerably across gene families.

A bstract Rapidly evolving taxa are excellent models for understanding the mechanisms that give rise to biodiversity. However, developing an accurate historical framework for comparative analysis of such lineages remains a challenge due to ubiquitous incomplete lineage sorting and introgression. Here, we use a whole-genome alignment, multiple locus-sampling strategies, and locus-based and SNP-based species-tree methods to infer a species tree for eastern North American Neodiprion species, a clade of pine-feeding sawflies (Order: Hymenopteran; Family: Diprionidae). We recovered a well-supported species tree that—except for three uncertain relationships—is robust to different strategies for analyzing whole-genome data. Despite this consistency, underlying gene-tree discordance is high. To understand this discordance, we use multiple regression to model topological discordance as a function of several genomic features. We find that gene-tree discordance tends to be higher in regions of the genome that may be more prone to gene-tree estimation error, as indicated by a lower density of parsimony-informative sites, a higher density of genes, a higher average pairwise genetic distance, and gene trees with lower average bootstrap support. Also, contrary to the expectation that discordance via incomplete lineage sorting is reduced in low-recombination regions of the genome, we find a negative correlation between recombination rate and topological discordance. We offer potential explanations for this pattern and hypothesize that it may be unique to lineages that have diverged with gene flow. Our analysis also reveals an unexpected discordance hotspot on Chromosome 1, which contains several genes potentially involved in mitochondrial-nuclear interactions and produces a gene-tree that resembles a highly discordant mitochondrial tree. Based on these observations, we hypothesize that our genome-wide scan for topological discordance has identified a nuclear locus involved in a mito-nuclear incompatibility. Together, these results demonstrate how phylogenomic analysis coupled with high-quality, annotated genomes can generate novel hypotheses about the mechanisms that drive divergence and produce variable genealogical histories across genomes.

Abstract Rapidly evolving taxa are excellent models for understanding the mechanisms that give rise to biodiversity. However, developing an accurate historical framework for comparative analysis of such lineages remains a challenge due to ubiquitous incomplete lineage sorting and introgression. Here, we use a whole-genome alignment, multiple locus-sampling strategies, and summary-tree and SNP-based species-tree methods to infer a species tree for eastern North American Neodiprion species, a clade of pine-feeding sawflies (Order: Hymenopteran; Family: Diprionidae). We recovered a well-supported species tree that—except for three uncertain relationships—was robust to different strategies for analyzing whole-genome data. Nevertheless, underlying gene-tree discordance was high. To understand this genealogical variation, we used multiple linear regression to model site concordance factors estimated in 50-kb windows as a function of several genomic predictor variables. We found that site concordance factors tended to be higher in regions of the genome with more parsimony-informative sites, fewer singletons, less missing data, lower GC content, more genes, lower recombination rates, and lower D-statistics (less introgression). Together, these results suggest that incomplete lineage sorting, introgression, and genotyping error all shape the genomic landscape of gene-tree discordance in Neodiprion. More generally, our findings demonstrate how combining phylogenomic analysis with knowledge of local genomic features can reveal mechanisms that produce topological heterogeneity across genomes.

Abstract Helicoverpa zea (Lepidoptera: Noctuidae) is an insect pest of major cultivated crops in North and South America. The species has adapted to different host plants and developed resistance to several insecticidal agents, including Bacillus thuringiensis (Bt) insecticidal proteins in transgenic cotton and maize. H. zea populations persist year-round in tropical and subtropical regions, but seasonal migrations into temperate zones increase the geographic range of associated crop damage. To better understand the genetic basis of these physiological and ecological characteristics, we generated a high-quality chromosome-level assembly for a single H. zea male from Bt resistant strain, HzStark_Cry1AcR. Hi-C data were used to scaffold an initial 375.2 Mb contig assembly into 30 autosomes and the Z sex chromosome (scaffold N50 = 12.8 Mb and L50 = 14). The scaffolded assembly was error-corrected with a novel pipeline, polishCLR. The mitochondrial genome was assembled through an improved pipeline and annotated. Assessment of this genome assembly indicated 98.8% of the Lepidopteran Benchmark Universal Single-Copy Ortholog set were complete (98.5% as complete single-copy). Repetitive elements comprised approximately 29.5% of the assembly with the plurality (11.2%) classified as retroelements. This chromosome-scale reference assembly for H. zea , ilHelZeax1.1, will facilitate future research to evaluate and enhance sustainable crop production practices. Significance We established a chromosome-level reference assembly for Helicoverpa zea , an insect pest of multiple cultivated crops in the Americas. This assembly of a Bacillus thuringiensis insecticidal protein resistant strain, HzStark_Cry1AcR, will facilitate future research in areas such as population genomics and adaptations to agricultural control practices.

The implementation of a new genomic assembly pipeline named only the best (otb) has effectively addressed various challenges associated with data management during the development and storage of genome assemblies. otb, which incorporates a comprehensive pipeline involving a setup layer, quality checks, templating, and the integration of Nextflow and Singularity. The primary objective of otb is to streamline the process of creating a HiFi/HiC genome, aiming to minimize the manual intervention required in the genome assembly process. The Two-lined spittlebug, (Prosapia bicincta, Hemiptera: Cercopidae), a true bug insect herbivore, serves as a practical test case for evaluating otb. The two-lined spittlebug is both a crucial agricultural pest and a genomically understudied insect belonging to the order Hemiptera. This insect is a significant threat to grasslands and pastures, leading to plant wilting and phytotoxemia when infested. Its presence in tropical and subtropical regions around the world poses a long-term threat to the composition of plant communities in grassland landscapes, impacting rangelands, and posing a substantial risk to cattle production.

Comparative genomic studies of social insects suggest that changes in gene regulation are associated with evolutionary transitions in social behavior, but the activity of predicted regulatory regions has not been tested empirically. We used STARR-seq, a high-throughput enhancer discovery tool, to identify and measure the activity of enhancers in the socially variable sweat bee, Lasioglossum albipes . We identified over 36,000 enhancers in the L. albipes genome from three social and three solitary populations. Many enhancers were identified in only a subset of L. albipes populations, revealing rapid divergence in regulatory regions within this species. Population-specific enhancers were often proximal to the same genes across populations, suggesting compensatory gains and losses of regulatory regions may preserve gene activity. We also identified 1182 enhancers with significant differences in activity between social and solitary populations, some of which are conserved regulatory regions across species of bees. These results indicate that social trait variation in L. albipes is driven both by the fine-tuning of ancient enhancers as well as lineage-specific regulatory changes. Combining enhancer activity with population genetic data revealed variants associated with differences in enhancer activity and identified a subset of differential enhancers with signatures of selection associated with social behavior. Together, these results provide the first empirical map of enhancers in a socially flexible bee and highlight links between cis-regulatory variation and the evolution of social behavior.

Abstract The remarkable diversity of insect pigmentation offers a captivating avenue for exploring evolution and genetics. In tephritid fruit flies, decoding the molecular pathways underlying pigmentation traits also plays a central role in applied entomology. Mutant phenotypes like the black pupae (bp) have long been used as a component of genetic sexing strains, allowing male-only release in tephritid sterile insect technique applications. However, the genetic basis of bp remains largely unknown. Here, we present independent evidence from classical and modern genetics showing that the bp phenotype in the GUA10 strain of the Mexican fruit fly, Anastrepha ludens , is caused by a large deletion at the ebony locus resulting in the removal of the entire protein-coding region of the gene. Targeted knockout of ebony induced analogous bp phenotypes across six tephritid species spanning over 50 million years of divergent evolution. This functionally validated our findings and allowed for a deeper investigation into the role of Ebony in pigmentation and development in these species. Our study offers fundamental knowledge for developing new sexing strains based on the bp marker and for future evolutionary developmental biology studies in tephritid fruit flies.