Abstract Pattern recognition receptors (PRR) recognize distinct pathogen and herbivore-associated molecular patterns (PAMPs and HAMPs) and mediate activation of immune responses, but the evolution of new PRR sensing functions is not well understood. We employed comparative genomics and functional analysis to define evolutionary events leading to the sensing of the peptide HAMP inceptin (In11) by the PRR Inceptin Receptor (INR). Existing and de novo genome assemblies revealed that the presence of a functional INR gene corresponded with In11 response across 55 million years (my) of legume evolution, and that In11 recognition is unique to the clade of Phaseoloid legumes. The INR loci of certain Phaseoloid and non-Phaseoloid species also contain diverse INR-like homologues, suggesting that the evolution of INR receptor function ∼28 mya occurred after an ancestral gene insertion ∼32 mya. Functional analysis of chimeric and ancestrally reconstructed receptors revealed that specific AA differences in the C1 leucine-rich repeat (LRR) domain and C2 intervening motif likely mediated gain of In11 recognition. In summary, we present a conceptual model for the evolution of a defined PRR function based on patterns of INR variation in legumes.

Pesticide resistance arises rapidly in arthropod herbivores, as can host plant adaptation, and both are significant problems in agriculture. These traits have been challenging to study as both are often polygenic and many arthropods are genetically intractable. Here, we examined the genetic architecture of pesticide resistance and host plant adaptation in the two-spotted spider mite, Tetranychus urticae, a global agricultural pest. We show that the short generation time and high fecundity of T. urticae can be readily exploited in experimental evolution designs for high-resolution mapping of quantitative traits. As revealed by selection with spirodiclofen, an acetyl-CoA decarboxylase inhibitor, in populations from a cross between a spirodiclofen resistant and a susceptible strain, and which also differed in performance on tomato, we found that a limited number of loci could explain quantitative resistance to this compound. These were resolved to narrow genomic intervals, suggesting specific candidate genes, including acetyl-CoA decarboxylase itself, clustered and copy variable cytochrome P450 genes, and NADPH cytochrome P450 reductase, which encodes a redox partner for cytochrome P450s. For performance on tomato, candidate genomic regions for response to selection were distinct from those responding to the synthetic compound and were consistent with a more polygenic architecture. In accomplishing this work, we exploited the continuous nature of allele frequency changes across experimental populations to resolve the existing fragmented T. urticae draft genome to pseudochromosomes. This improved assembly was indispensable for our analyses, as it will be for future research with this model herbivore that is exceptionally amenable to genetic studies.

BACKGROUND: Vector control is the main intervention in malaria control and elimination strategies. However, the development of insecticide resistance is one of the major challenges for controlling malaria vectors. Anopheles arabiensis populations in Ethiopia showed resistance against both DDT and the pyrethroid deltamethrin. Although a L1014F target-site resistance mutation was present in the voltage gated sodium channel of investigated populations, the levels of resistance and biochemical studies indicated the presence of additional resistance mechanisms. In this study, we used genome-wide transcriptome profiling by RNAseq to assess differentially expressed genes between three deltamethrin and DDT resistant An. arabiensis field populations (Tolay, Asendabo, Chewaka) and two susceptible strains (Sekoru and Mozambique). RESULTS: Both RNAseq analysis and RT-qPCR showed that a glutathione-S-transferase, gstd3, and a cytochrome P450 monooxygenase, cyp6p4, were significantly overexpressed in the group of resistant populations compared to the susceptible strains, suggesting that the enzymes they encode play a key role in metabolic resistance against deltamethrin or DDT. Furthermore, a gene ontology enrichment analysis showed that expression changes of cuticle related genes were strongly associated with insecticide resistance, although this did not translate in increased thickness of the procuticle. CONCLUSION: Our transcriptome sequencing of deltamethrin/DDT resistant An. arabiensis populations from Ethiopia suggests non-target site resistance mechanisms and pave the way for further investigation of the role of cuticle composition in resistance.

Secreted signaling peptides are central regulators of growth, development, and stress responses, but specific steps in the evolution of these peptides and their receptors are not well understood. In addition, the molecular mechanisms of peptide- receptor binding are only known for a few examples, primarily owing to the limited availability of structural capabilities to few laboratories worldwide. Plants have evolved a multitude of secreted signaling peptides and corresponding transmembrane receptors. Stress-responsive SERINE RICH ENDOGENOUS PEPTIDES (SCOOPs) were recently identified. Bioactive SCOOPs are proteolytically processed by subtilases and are perceived by the leucine-rich repeat receptor kinase MALE DISCOVERER 1-INTERACTING RECEPTOR-LIKE KINASE 2 (MIK2) in the model plant Arabidopsis thaliana. How SCOOPs and MIK2 have (co-)evolved, and how SCOOPs bind to MIK2 are however still unknown. Using in silico analysis of 350 plant genomes and subsequent functional testing, we revealed the conservation of MIK2 as SCOOP receptor within the plant order Brassicales. We then leveraged AlphaFold-Multimer and comparative genomics to identify two conserved putative SCOOP-MIK2 binding pockets across Brassicales MIK2 homologues predicted to interact with the SxS motif of otherwise sequence-divergent SCOOPs. Notably, mutagenesis of both predicted binding pockets compromised SCOOP binding to MIK2, SCOOP-induced complex formation between MIK2 and its co-receptor BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1-ASSOCIATED KINASE 1 (BAK1), and SCOOP-induced reactive oxygen species production; thus, confirming our in silico predictions. Collectively, in addition to revealing the elusive SCOOP-MIK2 binding mechanisms, our analytic pipeline combining phylogenomics, AI-based structural predictions, and experimental biochemical and physiological validation provides a blueprint for the elucidation of peptide ligand-receptor perception mechanisms.

Background : The western flower thrips, Frankliniella occidentalis (Pergande), is a globally invasive pest and plant virus vector on a wide array of food, fiber and ornamental crops. While there are numerous studies centered on thrips pest and vector biology, feeding behaviors, ecology, and insecticide resistance, the underlying genetic mechanisms of the processes governing these areas of research are largely unknown. To address this gap, we present the F. occidentalis draft genome assembly and official gene set. Results : We report on the first genome sequence for any member of the insect order Thysanoptera. Benchmarking Universal Single-Copy Ortholog (BUSCO) assessments of the genome assembly (size = 415.8 Mb, scaffold N50 = 948.9 Kb) revealed a relatively complete and well-annotated assembly in comparison to other insect genomes. The genome is unusually GC-rich (50%) compared to other insect genomes to date. The official gene set (OGS v1.0) contains 16,859 genes, of which ~10% were manually verified and corrected by our consortium. We focused on manual annotation, phylogenetic and expression evidence analyses for gene sets centered on primary themes in the life histories and activities of plant-colonizing insects. Highlights include: 1) divergent clades and large expansions in genes associated with environmental sensing (chemosensory receptors) and detoxification (CYP4, CYP6 and CCE enzymes) of substances encountered in agricultural environments; 2) a comprehensive set of salivary gland-associated genes supported by enriched expression; 3) apparent absence of members of the IMD innate immune defense pathway; and 4) developmental- and sex-specific expression analyses of genes associated with progression from larvae to adulthood through neometaboly, a distinct form of maturation compared to complete metamorphosis in the Holometabola. Conclusions : Analysis of the F. occidentalis genome offers insights into the polyphagous behavior of this insect pest to find, colonize and survive on a widely diverse array of plants. The genomic resources presented here enable a more complete analysis of insect evolution and biology, providing a missing taxon for contemporary insect genomics-based analyses. Our study also offers a genomic benchmark for molecular and evolutionary investigations of other thysanopteran species.