Female Aedes aegypti mosquitoes infect more than 400 million people each year with dangerous viral pathogens including dengue, yellow fever, Zika and chikungunya. Progress in understanding the biology of mosquitoes and developing the tools to fight them has been slowed by the lack of a high-quality genome assembly. Here we combine diverse technologies to produce the markedly improved, fully re-annotated AaegL5 genome assembly, and demonstrate how it accelerates mosquito science. We anchored physical and cytogenetic maps, doubled the number of known chemosensory ionotropic receptors that guide mosquitoes to human hosts and egg-laying sites, provided further insight into the size and composition of the sex-determining M locus, and revealed copy-number variation among glutathione S-transferase genes that are important for insecticide resistance. Using high-resolution quantitative trait locus and population genomic analyses, we mapped new candidates for dengue vector competence and insecticide resistance. AaegL5 will catalyse new biological insights and intervention strategies to fight this deadly disease vector. An improved, fully re-annotated Aedes aegypti genome assembly (AaegL5) provides insights into the sex-determining M locus, chemosensory systems that help mosquitoes to hunt humans and loci involved in insecticide resistance and will help to generate intervention strategies to fight this deadly disease vector.

Female Aedes aegypti mosquitoes infect hundreds of millions of people each year with dangerous viral pathogens including dengue, yellow fever, Zika, and chikungunya. Progress in understanding the biology of this insect, and developing tools to fight it, has been slowed by the lack of a high-quality genome assembly. Here we combine diverse genome technologies to produce AaegL5, a dramatically improved and annotated assembly, and demonstrate how it accelerates mosquito science and control. We anchored the physical and cytogenetic maps, resolved the size and composition of the elusive sex-determining “M locus”, significantly increased the known members of the glutathione-S-transferase genes important for insecticide resistance, and doubled the number of chemosensory ionotropic receptors that guide mosquitoes to human hosts and egg-laying sites. Using high-resolution QTL and population genomic analyses, we mapped new candidates for dengue vector competence and insecticide resistance. We predict that AaegL5 will catalyse new biological insights and intervention strategies to fight this deadly arboviral vector.

Abstract The endosymbiotic bacterium Wolbachia suppresses the capacity for arboviral transmission in the mosquito Aedes aegypti , and can spread through wild mosquito populations following local introductions. Recent introductions in Cairns, Australia have demonstrated slower than expected spread, that could be due to: i) barriers to Ae. aegypti dispersal; ii) leptokurtically distributed dispersal distances; and iii) intergenerational loss of Wolbachia . We investigated these three potential causes using genome-wide single-nucleotide polymorphisms (SNPs) and an assay for the Wolbachia infection w Mel in 161 Ae. aegypti collected from Cairns in 2015. We observed a significant barrier effect of Cairns highways on Ae. aegypti dispersal using distance-based redundancy analysis and patch-based simulation analysis. We detected putative full-siblings in ovitraps 1312m apart, suggesting long-distance female movement likely mediated by human transport. Finally, we found a pair of full-siblings of different infection status, suggesting loss of Wolbachia in the field. While the long-distance movement and Wolbachia loss currently represent single observations, these findings together with the identified dispersal barriers can contribute to the slow spread of Wolbachia through the Ae. aegypti population in Cairns. Our landscape genomics approach can be extended to other host/symbiont systems that are being considered for biocontrol.

Abstract A rare example of a successful long-term elimination of the mosquito Aedes aegypti is in Brisbane, Queensland, where the legislatively-enforced removal of rainwater tanks drove its disappearance by the mid-1950s. However, a decade-long drought led to the mass installation of rainwater tanks throughout the region, re-introducing critical breeding sites for the mosquito’s persistence in this subtropical region. With Ae. aegypti re-invading towns just 150 km north of Brisbane, we examined the potential for their sustained elimination. Through genomic analyses, we estimated historical expansion and current isolation between neighboring populations as close as 15 kilometers. The estimated recent migration rate, entomological and meteorological data were used to calibrate the simulations of elimination campaigns in the two southernmost populations. Our simulations indicate that Ae. aegypti could be eliminated with moderate release numbers of incompatible Wolbachia -infected (IIT) males (sorted with an error rate ≤10 -6 ) if non-compliant rainwater tanks are removed first. With this combined campaign, highly effective suppression (>99%) was predicted in both towns, and complete elimination was predicted in 35% of simulations in one town. Without tank removal, however, IIT led to a moderate suppression (61-93%) even with a 40:1 ratio of released IIT males to local males. Moreover, with a ratio of >20:1, Wolbachia establishment was predicted when the sorting error was >10 -7 . Our conservative estimates of intervention outcomes inform the planning of Ae. aegypti elimination in the region, and offer insight into the effective combinations of conventional and novel control tools, particularly for vulnerable mosquito populations at range margins. Significance After decades of range stagnation in Australia, the Aedes aegypti mosquito is expanding southward, approaching the most-densely-populated areas of Queensland. Using population genomics and simulation modeling of elimination campaigns, we show that Australia’s southernmost populations of this disease vector are genetically isolated and could be eliminated with moderate releases of incompatible Wolbachia-infected males if major larval breeding sites (non-compliant rainwater tanks) are removed first. The risk of Wolbachia establishment for this approach is low, and so is the risk of quick mosquito re-invasion. Our conservative estimates of intervention outcomes inform the planning of Ae. aegypti elimination in the region, and offer new insight into the benefits of combining conventional and novel control tools, particularly for mosquito populations at range margins.

Background The mosquito Aedes aegypti (L.) is a major vector of viral diseases like dengue fever, Zika and chikungunya. Aedes aegypti exhibits high morphological and behavioral variation, some of which is thought to be of epidemiological significance. Globally distributed domestic Ae. aegypti have been traditionally grouped into (i) the very pale variety queenslandensis and (ii) the type form. Because the two color forms co-occur across most of their range, there is interest in understanding how freely they interbreed. This knowledge is particularly important for control strategies that rely on mating compatibilities between the release and target mosquitoes, such as Wolbachia releases and SIT. To answer this question, we analyzed nuclear and mitochondrial genome-wide variation in the co-occurring pale and type Ae. aegypti from northern Queensland (Australia) and Singapore. Methods/Findings We typed 74 individuals at a 1170 bp-long mitochondrial sequence and at 16,569 nuclear SNPs using a customized double-digest RAD sequencing. 11/29 genotyped individuals from Singapore and 11/45 from Queensland were identified as var. queenslandensis based on the diagnostic scaling patterns. We found 24 different mitochondrial haplotypes, seven of which were shared between the two forms. Multivariate genetic clustering based on nuclear SNPs corresponded to individuals' geographic location, not their color. Several family groups consisted of both forms and three queenslandensis individuals were Wolbachia infected, indicating previous breeding with the type form which has been used to introduce Wolbachia into Ae. aegypti populations. Conclusion Aedes aegypti queenslandensis are genomically indistinguishable from the type form, which points to these forms freely interbreeding at least in Australia and Singapore. Based on our findings, it is unlikely that the presence of very pale Ae. aegypti will affect the success of Aedes control programs based on Wolbachia-infected, sterile or RIDL mosquitoes.

Oryctes Nudivirus (OrNV) has been an effective biocontrol agent against the insect pest Oryctes rhinoceros (Coleoptera: Scarabaeidae) for decades, but there is evidence that resistance could be evolving in some host populations. We detected OrNv infection in O. rhinoceros from the Solomon Islands and used Oxford Nanopore Technologies (ONT) long-read sequencing to determine the full length of the virus genomic sequence isolated from an individual belonging to a mitochondrial lineage (CRB-G) that was previously reported as resistant to OrNV. The complete circular genome of the virus consisted of 125,917 nucleotides, encoding 130 open reading frames (ORFs) for proteins in the range ~5 kDa (51aa) to ~140 kDa (1280aa). This Solomon Islands isolate has high (99.85%) nucleotide sequence identity to the previously sequenced isolate PV505 from Southern Luzon, Philippines, and has 138 amino acid modifications when compared with the originally described full genome sequence of the Ma07 strain from Malaysia.

Background : Hundreds of millions of people get a mosquito-borne disease every year, of which nearly one million die. Mosquito-borne diseases are primarily controlled and mitigated through the control of mosquito vectors. Accurately quantified mosquito dispersal in a given landscape is critical for the design and optimization of the control programs, yet the field experiments that measure dispersal of mosquitoes recaptured at certain distances from the release point (mark-release-recapture MRR studies) are challenging for such small insects and often unrepresentative of the insect's true field behavior. Using Singapore as a study site, we show how mosquito dispersal patterns can be characterized from the spatial analyses of genetic relatedness among individuals sampled over a short time span without interruption of their natural behaviors. Methods and Findings : We captured ovipositing females of Aedes aegypti , a major arboviral disease vector, across floors of high-rise apartment blocks and genotyped them using thousands of genome-wide SNP markers. We developed a methodology that produces a dispersal kernel for distance that results from one generation of successful breeding (effective dispersal), using the distances separating full siblings, 2nd and 3rd degree relatives (close kin). In Singapore, the estimated dispersal distance kernel was exponential (Laplacian), giving the mean effective dispersal distance (and dispersal kernel spread σ) of 45.2 m (95%CI: 39.7-51.3 m), and 10% probability of dispersal >100 m (95%CI: 92-117 m). Our genetic-based estimates matched the parametrized dispersal kernels from the previously reported MRR experiments. If few close-kin are captured, a conventional genetic isolation-by-distance analysis can be used, and we show that it can produce σ estimates congruent with the close-kin method, conditioned on the accurate estimation of effective population density. We also show that genetic patch size, estimated with the spatial autocorrelation analysis, reflects the spatial extent of the dispersal kernel 'tail' that influences e.g. predictions of critical radii of release zones and Wolbachia wave speed in mosquito replacement programs. Conclusions : We demonstrate that spatial genetics (the newly developed close-kin analysis, and conventional IBD and spatial autocorrelation analyses) can provide a detailed and robust characterization of mosquito dispersal that can guide operational vector control decisions. With the decreasing cost of next generation sequencing, acquisition of spatial genetic data will become increasingly accessible, and given the complexities and criticisms of conventional MRR methods, but the central role of dispersal measures in vector control programs, we recommend genetic-based dispersal characterization as the more desirable means of parameterization.

Although homomorphic sex chromosomes can have non-recombining regions with elevated sequence divergence between its complements, such divergence signals can be difficult to detect bioinformatically. If found in genomes of e.g. insect pests, these sequences could be targeted by the engineered genetic sexing and control systems. Here, we report an approach that can leverage long-read nanopore sequencing of a single XY male to identify divergent regions of homomorphic sex chromosomes. Long-read data are used for de novo genome assembly that is diploidized in a way that maximizes sex-specific differences between its haploid complements. We show that the correct assembly phasing is supported by the mapping of nanopore reads from the male's haploid Y-bearing sperm cells. The approach revealed a highly divergent region (HDR) near the centromere of the homomorphic sex chromosome of Aedes aegypti, the most important arboviral vector, for which there is a great interest in creating new genetic control tools. HDR is located ~5Mb downstream of the known male-determining locus on chromosome 1 and is significantly enriched for ovary-biased genes. While recombination in HDR ceased relatively recently (~1.4 MYA), HDR gametologs have divergent exons and introns of protein coding genes, and most lncRNA genes became X-specific. Megabases of previously invisible sex-linked sequences provide new putative targets for engineering the genetic systems to control this deadly mosquito. Broadly, our approach expands the toolbox for studying cryptic structure of sex chromosomes.

Abstract The coconut rhinoceros beetle (CRB, Oryctes rhinoceros ) is a severe and invasive pest of coconut and other palms throughout Asia and the Pacific. The biocontrol agent, Oryctes rhinoceros nudivirus (OrNV), has successfully suppressed O. rhinoceros populations for decades but new CRB invasions started appearing after 2007. A single-SNP variant within the mitochondrial cox1 gene is used to distinguish the recently-invading CRB-G lineage from other haplotypes, but the lack of mitogenome sequence for this species hinders further development of a molecular toolset for biosecurity and management programmes against CRB. Here we report the complete circular sequence and annotation for CRB mitogenome, generated to support such efforts. Sequencing data were generated using long-read Nanopore technology from genomic DNA isolated from a CRB-G female. The mitochondrial genome was assembled with Flye v.2.5, using the short-read Illumina sequences to remove homopolymers with Pilon, and annotated with MITOS. Independently-generated transcriptome data were used to assess the O. rhinoceros mitogenome annotation and transcription. The aligned sequences of 13 protein-coding genes (PCGs) (with degenerate third codon position) from O. rhinoceros , 13 other Scarabaeidae taxa and two outgroup taxa were used for the phylogenetic reconstruction with the Maximum likelihood (ML) approach in IQ-TREE and Bayesian (BI) approach in MrBayes. The complete circular mitochondrial genome of O. rhinoceros is 20,898 bp-long, with a gene content canonical for insects (13 PCGs, 2 rRNA genes, and 22 tRNA genes), as well as one structural variation (rearrangement of trnQ and trnI ) and a long control region (6,204 bp). Transcription was detected across all 37 genes, and interestingly, within three domains in the control region. ML and BI phylogenies had the same topology, correctly grouping O. rhinoceros with one other Dynastinae taxon, and recovering the previously reported relationship among lineages in the Scarabaeidae. In silico PCR-RFLP analysis recovered the correct fragment set that is diagnostic for the CRB-G haplogroup. These results validate the high-quality of the CRB mitogenome sequence and annotation.

ABSTRACT Background An optimal starting point for relating genome function to organismal biology is a high-quality nuclear genome assembly, and long-read sequencing is revolutionizing the production of this genomic resource in insects. Despite this, nuclear genome assemblies have been under-represented for agricultural insect pests, particularly from the order Coleoptera. Here we present a de novo genome assembly and structural annotation for the coconut rhinoceros beetle, Oryctes rhinoceros (Coleoptera: Scarabaeidae), based on Oxford Nanopore Technologies (ONT) long-read data generated from a wild-caught female, as well as the assembly process that also led to the recovery of the complete circular genome assemblies of the beetle’s mitochondrial genome and that of the biocontrol agent, Oryctes rhinoceros nudivirus (OrNV). As an invasive pest of palm trees, O. rhinoceros is undergoing an expansion in its range across the Pacific Islands, requiring new approaches to management that may include strategies facilitated by genome assembly and annotation. Results High-quality DNA isolated from an adult female was used to create four ONT libraries that were sequenced using four MinION flow cells, producing a total of 27.2 Gb of high-quality long-read sequences. We employed an iterative assembly process and polishing with one lane of high-accuracy Illumina reads, obtaining a final size of the assembly of 377.36 Mb that had high contiguity (fragment N50 length = 12 Mb) and accuracy, as evidenced by the exceptionally high completeness of the benchmarked set of conserved single-copy orthologous genes (BUSCO completeness = 99.11%). These quality metrics place our assembly as the most complete of the published Coleopteran genomes. The structural annotation of the nuclear genome assembly contained a highly-accurate set of 16,371 protein-coding genes showing BUSCO completeness of 92.09%, as well as the expected number of non-coding RNAs and the number and structure of paralogous genes in a gene family like Sigma GST. Conclusions The genomic resources produced in this study form a foundation for further functional genetic research and management programs that may inform the control and surveillance of O. rhinoceros populations, and we demonstrate the efficacy of de novo genome assembly using long-read ONT data from a single field-caught insect.