Abstract With increasing public data, a statistical analysis approach called meta-analysis, which combines transcriptome results obtained from multiple studies, has succeeded in providing novel insights into targeted biological processes. Locusts and aphids are representative of insect groups that exhibit density-dependent plasticity. Although the physiological mechanisms underlying density-dependent polyphenism have been identified in aphids and locusts, the underlying molecular mechanisms remain largely unknown. In this study, we performed a meta-analysis of public transcriptomes to gain additional insights into the molecular underpinning of density-dependent plasticity. We collected RNA sequencing data of aphids and locusts from public databases and detected differentially expressed genes (DEGs) between crowded and isolated conditions. Gene set enrichment analysis was performed to reveal the characteristics of the DEGs. DNA replication (GO:0006260), DNA metabolic processes (GO:0006259), and mitotic cell cycle (GO:0000278) were enriched in response to crowded conditions. To date, these processes have scarcely been the focus of research. The importance of the oxidative stress response and neurological system modifications under isolated conditions has been highlighted. These biological processes, clarified by meta-analysis, are thought to play key roles in the regulation of density-dependent plasticity. Simple Summary Population density can be an environmental cue to induce modification of insect morphology, physiology, and behavior. This phenomenon is called density-dependent plasticity. Aphids and locusts exhibit textbook examples of density-dependent plasticity but there is a lack of integrative understanding for insect density-dependent plasticity. To address this problem, we combined public gene expression data obtained from multiple studies and re-analyzed them (this process is called meta-analysis). The present study provides additional insight into the regulatory mechanisms of density-dependent plasticity, demonstrating the effectiveness of meta-analyses of public transcriptomes.

Abstract The Western honeybee ( Apis mellifera ) is valuable in biological research and agriculture. Its genome sequence was published before those for other insect species. RNA-Seq data for A. mellifera have been applied in several recently published studies. Nevertheless, these data have not been prepared for use in subsequent meta-analyses. To promote A. mellifera transcriptome analysis, we constructed reference transcriptome data using the reference genome sequence and RNA-Seq data curated from about 1,000 runs of public databases. The new reference transcriptome data construct comprised 149,685 transcripts, and 194,174 protein sequences were predicted. About 50–60% of the predicted protein sequences were functionally annotated using the protein sequence data for several model and insect species. Novel candidate immune-related transcripts were searched by meta-analysis using immune response-related RNA-Seq and reference transcriptome data. Three to 20 candidate transcripts including autophagy related protein 3 were upregulated or downregulated in response to both viral and bacterial infections. The constructed reference transcriptome data may facilitate future transcriptome analyses of A. mellifera . Simple Summary The honeybee is an economically and ecologically essential insect species and a critical social behavior model. It is vital to honey production and pollinates. Therefore, it has been studied extensively in entomological research. The Western honeybee ( Apis mellifera ) is a representative species of honeybees. The reference transcriptome data are required to perform the meta-analyses using public RNA-Seq data and transcriptome analysis using newly sequenced RNA-Seq data. The reference transcriptome sequences was constructed, which consisted of 149,685 transcripts, and 194,174 predicted amino acid sequences. Half the predicted protein sequences were functionally annotated using protein sequence datasets for several model and insect species. We performed meta-analysis to search for novel immune response-related transcripts. We identified 3–20 transcripts that were upregulated or downregulated in response to both viral and bacterial infections. However, the immune-related transcripts were not included among them. Autophagy related protein 3 was downregulated by viral infections. The results suggested that autophagy was implicated in the viral immune responses, and autophagy was not regulated by the canonical immune pathways in A. mellifera . The results of the meta-analysis suggested that the reference transcriptome data could be used for transcriptome analysis in A. mellifera .

The silkworm Bombyx mori has long been used in the silk industry and utilized in studies of physiology, genetics, molecular biology, and pathology. We recently reported high quality reference genome data for B. mori . In the present study, we constructed a reference transcriptome data set using the reference genome data and RNA-seq data of 10 tissues from P50T strain larvae. Reference transcriptome data contained 51,926 transcripts, with 39,619 having one or more coding sequence region. The abundance of each transcript in the 10 tissues as well as 5 tissues from other strain larvae was estimated, and hierarchical clustering was performed. The results obtained showed that data on abundance were highly reproducible and there here is a little difference of transcriptome abundance between the two strain larvae. New isoforms of silk-related genes were searched for in the reference transcriptomes, and the longest isoform of sericin-1 possessing a long exon was identified. We also extracted transcripts that were strongly expressed in one or more parts of the silk glands. An enrichment analysis performed using the functional annotation data of the transcripts provided novel insights into the functions of the silk gland parts. Therefore, the reference transcriptome data set obtained has extended B. mori genomic and transcriptomic insights and may contribute to advances in entomologic and vertebrate research, including that on humans.

The Japanese Archipelago, comprising a series of isolated yet interconnected islands, had been geographically separated from the Eurasian continent. The linear topography presents a unique biogeographic context for dispersing organisms from the continent. In this study, we utilized mitochondrial DNA (mtDNA) and single nucleotide polymorphism (SNP) variation to elucidate the dispersal history of the Japanese clouded butterfly Parnassius glacialis across the Japanese Archipelago, including North Island (Hokkaido), Main Island (Honshu) and Shikoku Island. Our analysis of mtDNA (COI, COII) at 1192 base pairs (bps) revealed 49 haplotypes and identified three distinct haplotype groups in the network. These groups correspond geographically to East Japan, West Japan, and Chugoku-Shikoku. The Chugoku-Shikoku group is the most ancient lineage. Interestingly, the Chugoku-Shikoku lineage showed a closer network connection to the East Japan lineage than the geographically proximate West Japan lineage. Divergence time estimates suggest that the Chugoku-Shikoku lineage diverged from the continental P. glacialis approximately 3.05 million years ago (MYA). Subsequently, from the Chugoku-Shikoku lineage, the East Japan and West Japan lineages diverged around 1.05 MYA, with the subsequent divergence between the East and West Japan lineages occurring at approximately 0.62 MYA. Based on the 3067 SNP genotypes, population structure analysis revealed five distinct genetic structures within the Japanese Archipelago, indicating geographical differentiation. From the analyses by mtDNA and SNP variations, four primary genetic barriers were identified: between Hokkaido and Honshu, between East and Central Japan, within the Kansai region, and within the Chugoku region. The former three lines corresponded to the Blakiston Line, the Itoigawa-Shizuoka Tectonic Line, and Lake Biwa, respectively. These findings suggest that P. glacialis diverged from the continental P. glacialis and expanded its range across the Japanese Archipelago via the North and South routes, establishing its current distribution.

Abstract Time-course transcriptome expression data were constructed for four parts of the silk gland (anterior, middle, and posterior parts of the middle silk gland, along with the posterior silk gland) in the domestic silkworm, Bombyx mori , from days 0 to 7 of the last-instar larvae. For sample preparation, silk glands were extracted from one female and one male larva every 24 hours accurately after the fourth ecdysis. The reliability of these transcriptome data was confirmed by comparing the transcripts per million (TPM) values of the silk gene and quantitative reverse transcription PCR results. Hierarchical cluster analysis results supported the reliability of transcriptome data. These data are likely to contribute to the progress in molecular biology and genetic research using B. mori , such as elucidating the mechanism underlying the massive production of silk proteins, conducting entomological research using a meta-analysis as a model for lepidopteran insect species, and exploring medical research using B. mori as a model for disease species by utilising transcriptome data.

Abstract The silkworm ( Bombyx mori ) is an important lepidopteran model insect, and an industrial domestic animal traditionally used for silk production. Here, we report the genome assembly of an improved Japanese strain Nichi01, in which the cocoon yield is comparable to that of commercial silkworm strains. The integration of PacBio Sequel II long-read and ddRAD-seq-based high-density genetic linkage map achieved the highest quality genome assembly of silkworms to date; 22 of the 28 pseudomolecules contained telomeric repeats at both ends, and only four gaps were present in the assembly. A total of 452 Mbp of the assembly with an N50 of 16.614 Mbp covered 99.3% of the complete orthologs of the Arthropod core genes. Although the genome sequence of Nichi01 and that of the previously reported low-yielding tropical strain p50T assured their accuracy in most regions, we corrected several regions, misassembled in p50T, in our assembly. A total of 18,397 proteins were predicted using over 95 Gb of mRNA-seq derived from 10 different organs, covering 96.9% of the complete orthologs of the Arthropod core genes. The final assembly and annotation files are available in KAIKObase ( https://kaikobase.dna.affrc.go.jp/index.html ) along with a genome browser and BLAST searching service, which would facilitate further studies and the breeding of silkworms and other insects.

Abstract Lepidopteran insects are an important group of animals, among which some are used as biochemical and physiological model species in the insect and silk industries, whereas others are major agricultural pests. Therefore, genome sequences of several lepidopteran insects have been reported thus far. The oriental armyworm, Mythimna separata , is an agricultural pest commonly used to study insect immune reactions and interactions with parasitoid wasps as hosts. To improve our understanding of these research topics, reference genome sequences were constructed in the present study. Using long-read and short-read sequence data, de novo assembly and polishing were performed, and haplotigs were purged. Subsequently, gene predictions and functional annotations were performed. To search for orthologs of the Toll and immune deficiency (IMD) pathways and C-type lectins, annotation data analysis, BLASTp, and Hummer scans were performed. The M. separata genome is 682 Mbp; its contig N50 was 2.7 Mbp with 21,970 genes and 24,452 coding sites predicted. All orthologs of the core components of the Toll and IMD pathways and 105 C-type lectins were identified. These results suggest that the genome data were of sufficient quality as reference genome data and could contribute to promoting M. separata and lepidopteran research at the molecular and genome levels. Simple Summary The oriental armyworm, Mythimna separata , an agricultural pest, is commonly used to study insect immune reactions and interactions with parasitoid wasps. To promote such studies, a reference genome was constructed. The M. separata genome is 682Mbp long—a size comparable to that of other lepidopteran insects. The contig N50 value of the genome is 2.7 Mb, which indicates sufficient quality to be used as reference genome data. Gene set data were constructed using genome and RNA-sequencing data; a total of 21,970 genes and 24,452 coding sites were predicted. Functional gene annotation was performed using the predicted amino acid sequences and reference gene set data of the model organism and other insect species as well as Unigene and Pfam datasets. Consequently, 45–80% of the amino acid sequences were annotated using these data sets. Using these data, most of the orthologs of core components in the Toll and immune deficiency (IMD) pathways were identified, suggesting the presence of these two pathways in M. separata . Additionally, 105 C-type lectins were identified in the M. separata genome, which were more numerous than those in other insect species, suggesting that these genes may be duplicated.

Abstract Insects rely only on their innate immune system to protect themselves from pathogens. Antimicrobial peptide (AMP) production is the main immune reaction in insects. In Drosophila melanogaster , the reaction is regulated mainly by the Toll and immune deficiency (IMD) pathways. Spaetzle proteins, activated by immune signals from upstream components, bind to Toll proteins, thus activating the Toll pathway, which in turn induces AMP genes. Previous studies have shown the difference immune ststems related to Toll and IMD pathways between D. melanogaster and Tribolium castaneum . In T. castaneum , 9 Toll and 7 spaetzle genes have been identified. To extend our understanding of AMP production by T. castaneum , we conducted functional assays of Toll and spaetzle genes related to Toll pathway-dependent AMP gene expression in T. castaneum under challenge with bacteria or budding yeast using RNA interference and qRT-PCR. The results revealed that Toll3 and Toll4 double-knockdown and spz7 knockdown strongly and moderately reduced the Toll pathway-dependent expression of AMP genes, respectively. Moreover, Toll3 and Toll4 double-knockdown pupae more rapidly succumbed to entomopathogenic bacteria than the control pupae, but spz7 knockdown pupae did not. The results suggest that Toll3 and Toll4 play a large role in Toll pathway-dependent immune reactions, whereas spz7 plays a small part.

Abstract Transposable elements (TEs) are grouped into several classes with diverse sequences. Owing to their diversity, studies involving the detection, classification, and annotation of TEs are difficult tasks. Moreover, simple comparisons of TEs among different species with different methods can lead to misinterpretations. The genome data of several honey bee ( Apis ) species are available in public databases. Therefore, we conducted a meta-analysis of TEs, using 11 sets of genome data for Apis species, in order to establish the basal TE data (termed here as the ‘landscape of TEs’). Consensus TE sequences were constructed and their distributions in the Apis genomes were determined. Our results showed that TEs from several limited families mainly consisted of Apis TEs and that more DNA/TcMar-Mariner consensus sequences and copies were present in all Apis genomes tested. In addition, more consensus sequences and copy numbers of DNA/TcMar-Mariner were detected in Apis mellifera than in other Apis species. These results suggest that TcMar-Mariner might exert A. mellifera -specific effects on the host A. mellifera species. In conclusion, our unified approach enabled comparison of Apis genome sequences to determine the TE landscape, which provide novel evolutionary insights into Apis species. Simple Summary Studies on the detection of transposable elements and their annotations have posed several challenges. For example, simple comparisons of transposable elements in different species using different methods can lead to misinterpretations. Thus, assembling data for transposable elements analyzed by unified methods is important for comparison purposes. Therefore, we performed a meta-analysis of transposable elements identified using genome datasets from 5 Apis species (11 sets of genome data) and specific software to detect the transposable elements, which revealed the landscapes of transposable elements. We examined the types and locations of transposable elements in the Apis genomes. The landscapes of transposable elements showed that several limited transposable element families consisted mainly of Apis -associated transposable elements. These limited families include DNA/TcMar-Mariner and DNA/CMC-EnSpm. In addition, more DNA/TcMar-Mariner consensus sequences and copies were detected in Apis mellifera than in other Apis species. These data suggest that TcMar-Mariner might exert A. mellifera -specific effects in the host A. mellifera species. Our landscape data provide new insights into Apis transposable elements; furthermore, detailed analyses of our data could pave the way for new biological insights in this field.

Abstract Quercetin is a common plant flavonoid that is involved in herbivore–plant interactions. Mulberry silkworms (domestic silkworm, Bombyx mori , and wild silkworm, Bombyx mandarina ) uptake quercetin from mulberry leaves and accumulate the metabolites in the cocoon, thereby improving its protective properties. Here we identified and characterized a glycosidase, named LPH-like quercetin glycoside hydrolase 1 (LQGH1), that initiates quercetin metabolism in the domestic silkworm. LQGH1 is expressed in the midgut where it mediates quercetin uptake by deglycosylating the three most common quercetin glycosides present in mulberry leaf: rutin, quercetin-3- O -malonyl-glucoside, quercetin-3- O -glucoside. Despite being located in an unequal crossing-over hotspot, LQGH1 is conserved in some species in clade Macroheterocera, including the wild silkworm, indicating the adaptive significance of quercetin uptake. LQGH1 is important also in breeding: defective mutations of LQGH1 , which result in discoloration of the cocoon and increased silk yield, are homozygously conserved in 27 of the 32 Japanese white-cocoon domestic silkworm strains and 12 of the 30 Chinese ones we investigated.