The duplication of genes can occur through various mechanisms and is thought to make a major contribution to the evolutionary diversification of organisms. There is increasing evidence for a large-scale duplication of genes in some chelicerate lineages including two rounds of whole genome duplication (WGD) in horseshoe crabs. To investigate this further, we sequenced and analyzed the genome of the common house spider Parasteatoda tepidariorum. We found pervasive duplication of both coding and non-coding genes in this spider, including two clusters of Hox genes. Analysis of synteny conservation across the P. tepidariorum genome suggests that there has been an ancient WGD in spiders. Comparison with the genomes of other chelicerates, including that of the newly sequenced bark scorpion Centruroides sculpturatus, suggests that this event occurred in the common ancestor of spiders and scorpions, and is probably independent of the WGDs in horseshoe crabs. Furthermore, characterization of the sequence and expression of the Hox paralogs in P. tepidariorum suggests that many have been subject to neo-functionalization and/or sub-functionalization since their duplication. Our results reveal that spiders and scorpions are likely the descendants of a polyploid ancestor that lived more than 450 MYA. Given the extensive morphological diversity and ecological adaptations found among these animals, rivaling those of vertebrates, our study of the ancient WGD event in Arachnopulmonata provides a new comparative platform to explore common and divergent evolutionary outcomes of polyploidization events across eukaryotes.

Abstract The compound eyes of insects exhibit extensive variation in ommatidia number and size, which affects how they see and underlies adaptations in their vision to different environments and lifestyles. However, very little is known about the genetic and developmental bases underlying differences in compound eye size. We previously showed that the larger eyes of Drosophila mauritiana compared to D. simulans is caused by differences in ommatidia size rather than number. Furthermore, we identified an X-linked chromosomal region in D. mauritiana that results in larger eyes when introgressed into D. simulans . Here, we used a combination of fine-scale mapping and gene expression analysis to further investigate positional candidate genes on the X chromosome. We found that orthodenticle is expressed earlier in D. mauritiana than in D. simulans during ommatidial maturation in third instar larvae, and we further show that this gene is required for the correct organisation and size of ommatidia in D. melanogaster . Using ATAC-seq, we have identified several candidate eye enhancers of otd as well as potential direct targets of this transcription factor that are differentially expressed between D. mauritiana and D. simulans . Taken together, our results suggest that differential timing of otd expression contributes to natural variation in ommatidia size between D. mauritiana and D. simulans , which provides new insights into the mechanisms underlying the regulation and evolution of compound eye size in insects.

Abstract Insects have evolved complex visual systems and display an astonishing range of adaptations for diverse ecological niches. Differences in eye size within and between Drosophila species provide the opportunity to study the impact of eye structure on vision. Here we further explored differences in D. mauritiana and its sibling species D. simulans and confirmed that D. mauritiana have rapidly evolved larger eyes as a result of more and wider ommatidia than D. simulans since their recent common ancestor. The functional impact of eye size, and specifically ommatidia size, is often only estimated based on the rigid surface morphology of the compound eye. Therefore, we used 3D synchrotron radiation tomography to measure optical parameters in 3D, predict optical capacity, and compare the modelled vision to in vivo optomotor responses. Our optical models predicted higher contrast sensitivity for D. mauritiana , which we verified by presenting sinusoidal gratings to tethered flies in a flight arena. Similarly, we confirmed the higher spatial acuity predicted for Drosophila simulans with smaller ommatidia and found evidence for higher temporal resolution.

Abstract Hox genes are expressed during embryogenesis and determine the regional identity of animal bodies along the antero-posterior axis. However, they also function post-embryonically to sculpt fine-scale morphology. To better understand how Hox genes are integrated into post-embryonic gene regulatory networks, we further analysed the role and regulation of Ultrabithorax ( Ubx ) during leg development in Drosophila melanogaster. Ubx regulates several aspects of bristle and trichome patterning on the femurs of the second (T2) and third (T3) leg pairs. We found that repression of trichomes in the proximal posterior region of the T2 femur by Ubx is likely mediated by activation of the expression of microRNA-92a by this Hox protein. Furthermore, we identified a novel enhancer of Ubx that recapitulates the temporal and regional activity of this gene in T2 and T3 legs. We then used transcription factor binding motif analysis in regions of accessible chromatin in T2 leg cells to predict and functionally test transcription factors that may regulate the Ubx leg enhancer. We also tested the role of the Ubx co-factors Homothorax (Hth) and Extradenticle (Exd) in T2 and T3 femurs. We found several transcription factors that may act upstream or in concert with Ubx to modulate trichome patterning along the proximo-distal axis of developing femurs and that the repression of trichomes also requires Hth and Exd. Taken together our results provide insights into how Ubx is integrated into a postembryonic gene regulatory network to determine fine-scale leg morphology.

Convergent phenotypic evolution is often caused by recurrent changes at particular nodes in the underlying gene regulatory networks (GRNs). The genes at such evolutionary 'hotspots' are thought to maximally affect the phenotype with minimal pleiotropic consequences. This has led to the suggestion that if a GRN is understood in sufficient detail, the path of evolution may be predictable. The repeated evolutionary loss of larval trichomes among Drosophila species is caused by the loss of shavenbaby (svb) expression. svb is also required for development of leg trichomes, but the evolutionary gain of trichomes in the 'naked valley' on T2 femurs in Drosophila melanogaster is caused by the loss of microRNA-92a (miR-92a) expression rather than changes in svb. We compared the expression and function of components between the larval and leg trichome GRNs to investigate why the genetic basis of trichome pattern evolution differs in these developmental contexts. We found key differences between the two networks in both the genes employed, and in the regulation and function of common genes. These differences in the GRNs reveal why mutations in svb are unlikely to contribute to leg trichome evolution and how instead miR-92a represents the key evolutionary switch in this context. Our work shows that variability in GRNs across different developmental contexts, as well as whether a morphological feature is lost versus gained, influence the nodes at which a GRN evolves to cause morphological change. Therefore, our findings have important implications for understanding the pathways and predictability of evolution.

The duplication of genes can occur through various mechanisms and is thought to make a major contribution to the evolutionary diversification of organisms. There is increasing evidence for a large-scale duplication of genes in some chelicerate lineages including two rounds of whole genome duplication (WGD) in horseshoe crabs. To investigate this further we sequenced and analyzed the genome of the common house spider Parasteatoda tepidariorum. We found pervasive duplication of both coding and non-coding genes in this spider, including two clusters of Hox genes. Analysis of synteny conservation across the P. tepidariorum genome suggests that there has been an ancient WGD in spiders. Comparison with the genomes of other chelicerates, including that of the newly sequenced bark scorpion Centruroides sculpturatus, suggests that this event occurred in the common ancestor of spiders and scorpions and is probably independent of the WGDs in horseshoe crabs. Furthermore, characterization of the sequence and expression of the Hox paralogs in P. tepidariorum suggests that many have been subject to neofunctionalization and/or subfunctionalization since their duplication, and therefore may have contributed to the diversification of spiders and other pulmonate arachnids.