Abstract The corpora allata (CA) are essential endocrine organs that biosynthesize and secrete the sesquiterpenoid hormone, namely juvenile hormone (JH), to regulate a wide variety of developmental and physiological events in insects. Previous studies had demonstrated that the CA are directly innervated with neurons in many insect species, implying the innervations to be important for regulating JH biosynthesis in response to internal physiology and external environments. While this is also true for the model organism, Drosophila melanogaster , which neurotransmitters are produced in the CA-projecting neurons are yet to be clarified. In this study on D. melanogaster , we aimed to demonstrate that a subset of neurons producing the neuropeptide hugin, the invertebrate counterpart of the vertebrate neuromedin U, directly projects to the adult CA. A synaptic vesicle marker in the hugin neurons was observed at their axon termini located on the CA, which were immunolabeled with a newly-generated antibody to the JH biosynthesis enzyme JH acid O -methyltransferase (JHAMT). We also found the CA-projecting hugin neurons to likely express a gene encoding the specific receptor for diuretic hormone 44 (Dh44). Moreover, our data suggested that the CA-projecting hugin neurons have synaptic connections with the upstream neurons producing Dh44. To the best of our knowledge, this is the first study to identify a specific neurotransmitter of the CA-projecting neurons in D. melanogaster , and to anatomically characterize a neuronal pathway of the CA-projecting neurons and their upstream neurons.

Abstract Juvenile hormone (JH) is one of the most essential hormones controlling insect metamorphosis and physiology. While it is well known that JH affects many tissues throughout the insects life cycle, the difference in JH responsiveness and the repertoire of JH-inducible genes among different tissues has not been fully investigated. In this study, we monitored JH responsiveness in vivo using transgenic Drosophila melanogaster flies carrying a JH response element-GFP ( JHRE-GFP ) construct. Our data highlight the high responsiveness of the epithelial cells within the seminal vesicle, a component of the male reproductive tract, to JH. Specifically, we observe an elevation in the JHRE-GFP signal within the seminal vesicle epithelium upon JH analog administration, while suppression occurs upon knockdown of genes encoding the intracellular JH receptors, Methoprene-tolerant and germ cell-expressed . Starting from published transcriptomic and proteomics datasets, we next identified Lactate dehydrogenase as a JH-response gene expressed in the seminal vesicle epithelium, suggesting insect seminal vesicles undergo metabolic regulation by JH. Together, this study sheds new light on biology of the insect reproductive regulatory system.

Abstract Female reproductive dormancy in insects is a process that drastically suppresses oogenesis to conserve energy under adverse environments. In many insects, including the fruit fly, Drosophila melanogaster , reproductive dormancy is induced under low-temperature and short-day conditions by the downregulation of juvenile hormone (JH) biosynthesis by the corpus allatum (CA). Previous studies have suggested that brain neurons that project directly to the CA are important for the regulation of reproductive dormancy. However, the role of CA-projecting neurons in JH-mediated reproductive dormancy has not yet been confirmed by molecular genetic studies. In this study, we report that, in adult D. melanogaster , the neuropeptide diuretic hormone 31 (DH31) is produced by brain neurons that project into the CA. DH31-producing-CA-projecting neurons are connected downstream with a subset of circadian clock neurons, such as s-LNvs, which are known to be involved in reproductive dormancy regulation. The CA expresses the gene encoding the DH31 receptor, which is required for DH31-triggered elevation of intracellular cAMP in the CA. Knocking down Dh31 in these CA-projecting neurons or DH31 receptor in the CA leads to a failure in the decrease of the JH titer, normally observed under dormancy-inducing conditions, leading to abnormal yolk accumulation in the ovaries. Our findings provide the first molecular genetic evidence demonstrating that CA-projecting peptidergic neurons play an essential role in regulating reproductive dormancy by suppressing JH biosynthesis. Significance Statement Dormancy is an adaptive physiological response to environmental changes that are unsuitable for survival. Adult females of many insect species undergo reproductive dormancy in which oogenesis is drastically arrested; it is induced by a decrease in juvenile hormone (JH) titers. However, we are yet to fully understand the molecular mechanisms underlying the control of JH biosynthesis under dormancy-inducing conditions. In this study using the fruit fly, we demonstrated that brain neurons projecting directly to the JH-producing organ, corpus allatum , play an essential role in regulating reproductive dormancy via the neuropeptide DH31. As the morphologically-similar neurons have previously been suggested to be involved in reproductive dormancy regulation, this study provides a fundamental molecular and neuronal basis for reproductive dormancy in insects.