Toward an insect evolution resolution Insects are the most diverse group of animals, with the largest number of species. However, many of the evolutionary relationships between insect species have been controversial and difficult to resolve. Misof et al. performed a phylogenomic analysis of protein-coding genes from all major insect orders and close relatives, resolving the placement of taxa. The authors used this resolved phylogenetic tree together with fossil analysis to date the origin of insects to ~479 million years ago and to resolve long-controversial subjects in insect phylogeny. Science , this issue p. 763

Gene Ontology (GO), the de facto standard in gene functionality description, is used widely in functional annotation and enrichment analysis. Here, we introduce agriGO, an integrated web-based GO analysis toolkit for the agricultural community, using the advantages of our previous GO enrichment tool (EasyGO), to meet analysis demands from new technologies and research objectives. EasyGO is valuable for its proficiency, and has proved useful in uncovering biological knowledge in massive data sets from high-throughput experiments. For agriGO, the system architecture and website interface were redesigned to improve performance and accessibility. The supported organisms and gene identifiers were substantially expanded (including 38 agricultural species composed of 274 data types). The requirement on user input is more flexible, in that user-defined reference and annotation are accepted. Moreover, a new analysis approach using Gene Set Enrichment Analysis strategy and customizable features is provided. Four tools, SEA (Singular enrichment analysis), PAGE (Parametric Analysis of Gene set Enrichment), BLAST4ID (Transfer IDs by BLAST) and SEACOMPARE (Cross comparison of SEA), are integrated as a toolkit to meet different demands. We also provide a cross-comparison service so that different data sets can be compared and explored in a visualized way. Lastly, agriGO functions as a GO data repository with search and download functions; agriGO is publicly accessible at http://bioinfo.cau.edu.cn/agriGO/.

Abstract Motivation: Transcriptome sequencing has long been the favored method for quickly and inexpensively obtaining a large number of gene sequences from an organism with no reference genome. Owing to the rapid increase in throughputs and decrease in costs of next- generation sequencing, RNA-Seq in particular has become the method of choice. However, the very short reads (e.g. 2 × 90 bp paired ends) from next generation sequencing makes de novo assembly to recover complete or full-length transcript sequences an algorithmic challenge. Results: Here, we present SOAPdenovo-Trans, a de novo transcriptome assembler designed specifically for RNA-Seq. We evaluated its performance on transcriptome datasets from rice and mouse. Using as our benchmarks the known transcripts from these well-annotated genomes (sequenced a decade ago), we assessed how SOAPdenovo-Trans and two other popular transcriptome assemblers handled such practical issues as alternative splicing and variable expression levels. Our conclusion is that SOAPdenovo-Trans provides higher contiguity, lower redundancy and faster execution. Availability and implementation: Source code and user manual are available at http://sourceforge.net/projects/soapdenovotrans/. Contact: xieyl@genomics.cn or bgi-soap@googlegroups.com Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Hymenoptera (sawflies, wasps, ants, and bees) are one of four mega-diverse insect orders, comprising more than 153,000 described and possibly up to one million undescribed extant species [1, 2]. As parasitoids, predators, and pollinators, Hymenoptera play a fundamental role in virtually all terrestrial ecosystems and are of substantial economic importance [1, 3]. To understand the diversification and key evolutionary transitions of Hymenoptera, most notably from phytophagy to parasitoidism and predation (and vice versa) and from solitary to eusocial life, we inferred the phylogeny and divergence times of all major lineages of Hymenoptera by analyzing 3,256 protein-coding genes in 173 insect species. Our analyses suggest that extant Hymenoptera started to diversify around 281 million years ago (mya). The primarily ectophytophagous sawflies are found to be monophyletic. The species-rich lineages of parasitoid wasps constitute a monophyletic group as well. The little-known, species-poor Trigonaloidea are identified as the sister group of the stinging wasps (Aculeata). Finally, we located the evolutionary root of bees within the apoid wasp family "Crabronidae." Our results reveal that the extant sawfly diversity is largely the result of a previously unrecognized major radiation of phytophagous Hymenoptera that did not lead to wood-dwelling and parasitoidism. They also confirm that all primarily parasitoid wasps are descendants of a single endophytic parasitoid ancestor that lived around 247 mya. Our findings provide the basis for a natural classification of Hymenoptera and allow for future comparative analyses of Hymenoptera, including their genomes, morphology, venoms, and parasitoid and eusocial life styles.

Timely and accurate biodiversity analysis poses an ongoing challenge for the success of biomonitoring programs. Morphology-based identification of bioindicator taxa is time consuming, and rarely supports species-level resolution especially for immature life stages. Much work has been done in the past decade to develop alternative approaches for biodiversity analysis using DNA sequence-based approaches such as molecular phylogenetics and DNA barcoding. On-going assembly of DNA barcode reference libraries will provide the basis for a DNA-based identification system. The use of recently introduced next-generation sequencing (NGS) approaches in biodiversity science has the potential to further extend the application of DNA information for routine biomonitoring applications to an unprecedented scale. Here we demonstrate the feasibility of using 454 massively parallel pyrosequencing for species-level analysis of freshwater benthic macroinvertebrate taxa commonly used for biomonitoring. We designed our experiments in order to directly compare morphology-based, Sanger sequencing DNA barcoding, and next-generation environmental barcoding approaches. Our results show the ability of 454 pyrosequencing of mini-barcodes to accurately identify all species with more than 1% abundance in the pooled mixture. Although the approach failed to identify 6 rare species in the mixture, the presence of sequences from 9 species that were not represented by individuals in the mixture provides evidence that DNA based analysis may yet provide a valuable approach in finding rare species in bulk environmental samples. We further demonstrate the application of the environmental barcoding approach by comparing benthic macroinvertebrates from an urban region to those obtained from a conservation area. Although considerable effort will be required to robustly optimize NGS tools to identify species from bulk environmental samples, our results indicate the potential of an environmental barcoding approach for biomonitoring programs.

Minsheng You and colleagues report the whole-genome sequence of the diamondback moth, Plutella xylostella. Their transcriptome analysis from different life stages, together with comparative genomic and phylogenetic analysis, provides insights into herbivore evolution and insect adaptation to plant feeding and detoxification. How an insect evolves to become a successful herbivore is of profound biological and practical importance. Herbivores are often adapted to feed on a specific group of evolutionarily and biochemically related host plants1, but the genetic and molecular bases for adaptation to plant defense compounds remain poorly understood2. We report the first whole-genome sequence of a basal lepidopteran species, Plutella xylostella, which contains 18,071 protein-coding and 1,412 unique genes with an expansion of gene families associated with perception and the detoxification of plant defense compounds. A recent expansion of retrotransposons near detoxification-related genes and a wider system used in the metabolism of plant defense compounds are shown to also be involved in the development of insecticide resistance. This work shows the genetic and molecular bases for the evolutionary success of this worldwide herbivore and offers wider insights into insect adaptation to plant feeding, as well as opening avenues for more sustainable pest management.

The order Coleoptera (beetles) is arguably the most speciose group of animals, but the evolutionary history of beetles, including the impacts of plant feeding (herbivory) on beetle diversification, remain poorly understood. We inferred the phylogeny of beetles using 4,818 genes for 146 species, estimated timing and rates of beetle diversification using 89 genes for 521 species representing all major lineages and traced the evolution of beetle genes enabling symbiont-independent digestion of lignocellulose using 154 genomes or transcriptomes. Phylogenomic analyses of these uniquely comprehensive datasets resolved previously controversial beetle relationships, dated the origin of Coleoptera to the Carboniferous, and supported the codiversification of beetles and angiosperms. Moreover, plant cell wall-degrading enzymes (PCWDEs) obtained from bacteria and fungi via horizontal gene transfers may have been key to the Mesozoic diversification of herbivorous beetles—remarkably, both major independent origins of specialized herbivory in beetles coincide with the first appearances of an arsenal of PCWDEs encoded in their genomes. Furthermore, corresponding (Jurassic) diversification rate increases suggest that these novel genes triggered adaptive radiations that resulted in nearly half of all living beetle species. We propose that PCWDEs enabled efficient digestion of plant tissues, including lignocellulose in cell walls, facilitating the evolution of uniquely specialized plant-feeding habits, such as leaf mining and stem and wood boring. Beetle diversity thus appears to have resulted from multiple factors, including low extinction rates over a long evolutionary history, codiversification with angiosperms, and adaptive radiations of specialized herbivorous beetles following convergent horizontal transfers of microbial genes encoding PCWDEs.

The shoot apical meristem (SAM) comprises a group of undifferentiated cells that divide to maintain the plant meristem and also give rise to all shoot organs. SAM fate is specified by class III HOMEODOMAIN-LEUCINE ZIPPER (HD-ZIP III) transcription factors, which are targets of miR166/165. In Arabidopsis, AGO10 is a critical regulator of SAM maintenance, and here we demonstrate that AGO10 specifically interacts with miR166/165. The association is determined by a distinct structure of the miR166/165 duplex. Deficient loading of miR166 into AGO10 results in a defective SAM. Notably, the miRNA-binding ability of AGO10, but not its catalytic activity, is required for SAM development, and AGO10 has a higher binding affinity for miR166 than does AGO1, a principal contributor to miRNA-mediated silencing. We propose that AGO10 functions as a decoy for miR166/165 to maintain the SAM, preventing their incorporation into AGO1 complexes and the subsequent repression of HD-ZIP III gene expression.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI3NWEzYzkxMjMwOWUwMDVjZThlMmRmYWIyZmYyNGU3OCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc5MTM2MTQxfQ.ZmES55FME8OCAzXOMRdfoNWwNAkd0pRZ1ScmpaabF_cWSuCbqXrCBPfJFSMtAJMAY_WVwW4cxEXEz3JS4zzWq5CqZ9GG9ZrA8OgUC8cBs5dGS2QvX5Ov60aSWDeanpgVnUBb4UjU7GgyJCbDah_BJvb1GF0lI2dY_ZmMuNV3omjAPBUqfz8chjNC4N183arWtQ4Mwdh0HbdMD6Lm1QKlZ9B5_dHgouQJe8nvQQAinMtFVGMnjCV09-yw5H1sjrqi5n22u5ymDsfeLJyfaK5aP07HIKRaExAwmc45wayu1R4jtqrM42FAEnO0i-aOiFH0_EVBU2DN0rv7xQwvCF6Cog(mp4, (8.8 MB) Download video

The brown planthopper, Nilaparvata lugens, the most destructive pest of rice, is a typical monophagous herbivore that feeds exclusively on rice sap, which migrates over long distances. Outbreaks of it have re-occurred approximately every three years in Asia. It has also been used as a model system for ecological studies and for developing effective pest management. To better understand how a monophagous sap-sucking arthropod herbivore has adapted to its exclusive host selection and to provide insights to improve pest control, we analyzed the genomes of the brown planthopper and its two endosymbionts.We describe the 1.14 gigabase planthopper draft genome and the genomes of two microbial endosymbionts that permit the planthopper to forage exclusively on rice fields. Only 40.8% of the 27,571 identified Nilaparvata protein coding genes have detectable shared homology with the proteomes of the other 14 arthropods included in this study, reflecting large-scale gene losses including in evolutionarily conserved gene families and biochemical pathways. These unique genomic features are functionally associated with the animal's exclusive plant host selection. Genes missing from the insect in conserved biochemical pathways that are essential for its survival on the nutritionally imbalanced sap diet are present in the genomes of its microbial endosymbionts, which have evolved to complement the mutualistic nutritional needs of the host.Our study reveals a series of complex adaptations of the brown planthopper involving a variety of biological processes, that result in its highly destructive impact on the exclusive host rice. All these findings highlight potential directions for effective pest control of the planthopper.

Butterflies and moths (Lepidoptera) are one of the major superradiations of insects, comprising nearly 160,000 described extant species. As herbivores, pollinators, and prey, Lepidoptera play a fundamental role in almost every terrestrial ecosystem. Lepidoptera are also indicators of environmental change and serve as models for research on mimicry and genetics. They have been central to the development of coevolutionary hypotheses, such as butterflies with flowering plants and moths’ evolutionary arms race with echolocating bats. However, these hypotheses have not been rigorously tested, because a robust lepidopteran phylogeny and timing of evolutionary novelties are lacking. To address these issues, we inferred a comprehensive phylogeny of Lepidoptera, using the largest dataset assembled for the order (2,098 orthologous protein-coding genes from transcriptomes of 186 species, representing nearly all superfamilies), and dated it with carefully evaluated synapomorphy-based fossils. The oldest members of the Lepidoptera crown group appeared in the Late Carboniferous (∼300 Ma) and fed on nonvascular land plants. Lepidoptera evolved the tube-like proboscis in the Middle Triassic (∼241 Ma), which allowed them to acquire nectar from flowering plants. This morphological innovation, along with other traits, likely promoted the extraordinary diversification of superfamily-level lepidopteran crown groups. The ancestor of butterflies was likely nocturnal, and our results indicate that butterflies became day-flying in the Late Cretaceous (∼98 Ma). Moth hearing organs arose multiple times before the evolutionary arms race between moths and bats, perhaps initially detecting a wide range of sound frequencies before being co-opted to specifically detect bat sonar. Our study provides an essential framework for future comparative studies on butterfly and moth evolution.