We have sequenced the genome of a second Drosophila species, Drosophila pseudoobscura , and compared this to the genome sequence of Drosophila melanogaster , a primary model organism. Throughout evolution the vast majority of Drosophila genes have remained on the same chromosome arm, but within each arm gene order has been extensively reshuffled, leading to a minimum of 921 syntenic blocks shared between the species. A repetitive sequence is found in the D. pseudoobscura genome at many junctions between adjacent syntenic blocks. Analysis of this novel repetitive element family suggests that recombination between offset elements may have given rise to many paracentric inversions, thereby contributing to the shuffling of gene order in the D. pseudoobscura lineage. Based on sequence similarity and synteny, 10,516 putative orthologs have been identified as a core gene set conserved over 25–55 million years (Myr) since the pseudoobscura / melanogaster divergence. Genes expressed in the testes had higher amino acid sequence divergence than the genome-wide average, consistent with the rapid evolution of sex-specific proteins. Cis -regulatory sequences are more conserved than random and nearby sequences between the species—but the difference is slight, suggesting that the evolution of cis -regulatory elements is flexible. Overall, a pattern of repeat-mediated chromosomal rearrangement, and high coadaptation of both male genes and cis -regulatory sequences emerges as important themes of genome divergence between these species of Drosophila .

Adult house flies, Musca domestica L., are mechanical vectors of more than 100 devastating diseases that have severe consequences for human and animal health. House fly larvae play a vital role as decomposers of animal wastes, and thus live in intimate association with many animal pathogens. We have sequenced and analyzed the genome of the house fly using DNA from female flies. The sequenced genome is 691 Mb. Compared with Drosophila melanogaster, the genome contains a rich resource of shared and novel protein coding genes, a significantly higher amount of repetitive elements, and substantial increases in copy number and diversity of both the recognition and effector components of the immune system, consistent with life in a pathogen-rich environment. There are 146 P450 genes, plus 11 pseudogenes, in M. domestica, representing a significant increase relative to D. melanogaster and suggesting the presence of enhanced detoxification in house flies. Relative to D. melanogaster, M. domestica has also evolved an expanded repertoire of chemoreceptors and odorant binding proteins, many associated with gustation. This represents the first genome sequence of an insect that lives in intimate association with abundant animal pathogens. The house fly genome provides a rich resource for enabling work on innovative methods of insect control, for understanding the mechanisms of insecticide resistance, genetic adaptation to high pathogen loads, and for exploring the basic biology of this important pest. The genome of this species will also serve as a close out-group to Drosophila in comparative genomic studies.

Abstract Sex differences in aging occur in many animal species, and they include sex differences in lifespan, in the onset and progression of age‐associated decline, and in physiological and molecular markers of aging. Sex differences in aging vary greatly across the animal kingdom. For example, there are species with longer‐lived females, species where males live longer, and species lacking sex differences in lifespan. The underlying causes of sex differences in aging remain mostly unknown. Currently, we do not understand the molecular drivers of sex differences in aging, or whether they are related to the accepted hallmarks or pillars of aging or linked to other well‐characterized processes. In particular, understanding the role of sex‐determination mechanisms and sex differences in aging is relatively understudied. Here, we take a comparative, interdisciplinary approach to explore various hypotheses about how sex differences in aging arise. We discuss genomic, morphological, and environmental differences between the sexes and how these relate to sex differences in aging. Finally, we present some suggestions for future research in this area and provide recommendations for promising experimental designs.

Abstract Sex determination, the developmental process by which sexually dimorphic phenotypes are established, evolves fast. Species with polygenic sex determination, in which master regulatory genes are found on multiple different proto-sex chromosomes, are informative models to study the evolution of sex determination. House flies are such a model system, with male determining loci possible on all six chromosomes and a female-determiner on one of the chromosomes as well. The two most common male-determining proto-Y chromosomes form latitudinal clines on multiple continents, suggesting that temperature variation is an important selection pressure responsible for maintaining polygenic sex determination in this species. To identify candidate genes that may be under selection, we used RNA-seq to test for temperature-dependent effects of the proto-Y chromosomes on gene expression in adult house flies. We find no evidence for ecologically meaningful temperature-dependent expression of sex determining genes between male genotypes, but we were likely not sampling an appropriate developmental time-point to identify such effect. In contrast, we identified many other genes whose expression depends on the interaction between proto-Y chromosome genotype and temperature, including genes that encode proteins involved in reproduction, metabolism, lifespan, stress response, and immunity. Notably, genes with genotype-by-temperature interactions on expression are not enriched on the proto-sex chromosomes. Moreover, there is no evidence that temperature-dependent expression is driven by chromosome-wide expression divergence between the proto-Y and proto-X alleles. Therefore, if temperature-dependent gene expression is responsible for differences in phenotypes and fitness of proto-Y genotypes across house fly populations, these effects are driven by a small number of temperature-dependent alleles on the proto-Y chromosomes that may in turn affect the expression of genes on other chromosomes.

Abstract Polo-like kinases (Plks) are essential for spindle attachment to the kinetochore during prophase and the subsequent dissociation after anaphase in both mitosis and meiosis. There are structural differences in the spindle apparatus between mitosis, male meiosis, and female meiosis. It is therefore possible that alleles of Plk genes could improve kinetochore attachment or dissociation in spermatogenesis or oogenesis, but not both. These opposing effects could result in sexually antagonistic selection at Plk loci. In addition, Plk genes have been independently duplicated in many different evolutionary lineages within animals. This raises the possibility that Plk gene duplication may resolve sexual conflicts over mitotic and meiotic functions. We investigated this hypothesis by comparing the evolution, gene expression, and functional effects of the single Plk gene in Drosophila melanogaster ( polo ) and the duplicated Plks in Drosophila pseudoobscura ( Dpse-polo and Dpse-polo-dup1 ). We found that the protein-coding sequence of Dpse-polo-dup1 is evolving significantly faster than a canonical polo gene across all functional domains, yet the essential structure of encoded protein appears to be retained. Dpse-polo-dup1 is expressed primarily in testis, while other polo genes have broader expression profiles. Furthermore, over or ectopic expression of polo or Dpse-polo in the D. melanogaster male germline results in greater male infertility than ectopic expression of Dpse-polo-dup1 . Lastly, ectopic expression of Dpse-polo or an ovary-derived transcript of polo in the male germline causes males to sire female-biased broods. However, there is no sex-bias in the progeny when Dpse-polo-dup1 is ectopically expressed or a testis-derived transcript of polo is overexpressed in the D. melanogaster male germline. Our results therefore suggest that Dpse-polo-dup1 may have experienced positive selection to improve its regulation of the male meiotic spindle, resolving sexual conflict over meiotic Plk functions. Alternatively, Dpse-polo-dup1 may encode a hypomorphic Plk that has reduced deleterious effects when overexpressed in the male germline. Similarly, testis transcripts of D. melanogaster polo may be optimized for regulating the male meiotic spindle, and we provide evidence that the untranslated regions of the polo transcript may be involved in sex-specific germline functions.

Abstract Selection pressures can vary within localized areas and across massive geographical scales. Temperature is one of the best studied ecologically variable abiotic factors that can affect selection pressures across multiple spatial scales. Organisms rely on physiological (thermal tolerance) and behavioral (thermal preference) mechanisms to thermoregulate in response to environmental temperature. In addition, spatial heterogeneity in temperatures can select for local adaptation in thermal tolerance, thermal preference, or both. However, the concordance between thermal tolerance and preference across genotypes and sexes within species and across populations is greatly understudied. The house fly, Musca domestica , is a well-suited system to examine how genotype and environment interact to affect thermal tolerance and preference. Across multiple continents, house fly males from higher latitudes tend to carry the male-determining gene on the Y chromosome, whereas those from lower latitudes usually have the male-determiner on the third chromosome. We tested whether these two male-determining chromosomes differentially affect thermal tolerance and preference as predicted by their geographical distributions. We identify effects of genotype and developmental temperature on male thermal tolerance and preference that are concordant with the natural distributions of the chromosomes, suggesting that temperature variation across the species range contributes to the maintenance of the polymorphism. In contrast, female thermal preference is bimodal and largely independent of congener male genotypes. These sexually dimorphic thermal preferences suggest that temperature-dependent mating dynamics within populations could further affect the distribution of the two chromosomes. Together, the differences in thermal tolerance and preference across sexes and male genotypes suggest that different selection pressures may affect the frequencies of the male-determining chromosomes across different spatial scales. Impact Statement Genetic variation within species can be maintained by environmental factors that vary across the species’ range, creating clinal distributions of alleles responsible for ecologically important traits. Some of the best examples of clinal distributions come from temperature-dependent phenotypes, such as thermal tolerance and preference. Although genotype and developmental temperature strongly affect physiological and behavioral traits in ectotherms, the correlation between these traits across genotypes and sexes within species is greatly understudied. We show that two different male-determining chromosomes found in natural populations of house flies affect both thermal tolerance and preference in a way that is concordant with their clinal distributions across latitudes. This provides strong evidence that temperature variation across the species range contributes to the maintenance of the polymorphism. Furthermore, we find evidence that thermal preference is sexually dimorphic, suggesting that temperature-dependent mating dynamics could further affect the distribution of genetic variation in this system. Therefore, at a macro-geographical scale, the differences in thermal tolerance and preference across male genotypes likely contributes to the maintenance of the cline. Within populations, differences in thermal preference likely affect sexual selection dynamics, which may further affect the frequencies of the chromosomes.

Code, commands, and data to perform analyses of house fly RNA-seq data. House fly has a stable polygenic sex determination system. The male determining factor (Mdmd) is commonly found on the Y chromosome (Y^M) or the third chromosome (III^M). These proto-Y chromosomes are clinally distributed, with Y^M found most commonly in northern latitudes and III^M most commonly found at southern latitudes, hinting at possible genotype-by-temperature interactions that maintain the polymorphism. If this distribution is maintained by temperature-dependent selection pressures, we expect the fitness of III^M and Y^M flies to vary across developmental temperatures. These temperature-dependent effects could be driven by differential gene expression in III^M and Y^M males at different temperatures. Here, we performed RNA-seq experiments to study how genotype-by-temperature interactions affect gene expression in male houseflies carrying different proto-Y chromosomes. We raised a Y^M strain known as IsoCS and a III^M strain known as CSrab at 18°C and 29°C for two generations. We dissected 5 heads and 15-20 pairs of testes for each of three replicates of each genotype-by-temperature combination. We carried out RNA-seq on these tissues. Data are available from NCBI Gene Expression Omnibus accession GSE136188.

ABSTRACT Y chromosomes have male-limited inheritance, which favors the fixation of alleles that affect spermatogenesis, courtship, and other male-specific traits. Y-linked male-beneficial alleles can also have female-deleterious (sexually antagonistic) effects because they never experience direct selection in females. However, determining the mechanisms underlying these male-beneficial effects is challenging because it can require studying Y-linked alleles while they still segregate as polymorphism. We used a Y chromosome polymorphism in the house fly, Musca domestica , to address this challenge. Two common male-determining Y chromosomes (Y M and III M ) segregate as stable polymorphisms in natural house fly populations, and they differentially affect multiple traits, including male courtship performance. We performed a meta-analysis of RNA-seq data and identified differentially expressed genes encoding odorant binding proteins (in the Obp56h family) as candidate causal agents in the courtship differences. The Obp56h genes are not found on either the Y M or III M chromosomes, suggesting that they must be regulated in trans by one of the house fly sex chromosomes. Using a network analysis and allele-specific expression measurements, we identified multiple genes on the house fly III M chromosome that could serve as trans inhibitors of Obp56h gene expression. One of those genes is homologous to D. melanogaster CG2120 , which encodes a transcription factor that binds both up- and down-stream of Obp56h . We found that up-regulation of CG2120 in D. melanogaster nervous tissues reduces copulation latency, consistent with this transcription factor acting as a negative regulator of Obp56h expression. We propose the name speed date ( spdt ) for CG2120 , with the house fly homolog named Md-spdt . The expression of spdt across D. melanogaster development and tissues suggests that evolution of higher expression in neurons may be constrained by pleiotropic or sexual antagonistic effects. We hypothesize that a cis -regulatory allele that increases expression of Md-spdt on the III M chromosome exists because Y-linkage of this allele releases it from those constraints. This provides evidence for a molecular mechanism by which a Y-linked gene can evolve a male-beneficial function regardless of the negative effects on females.

Abstract Organisms use constitutive or induced defenses against pathogens, parasites, and herbivores. Constitutive defenses are constantly on, whereas induced defenses are activated upon exposure to an enemy. Constitutive and induced defenses each have costs and benefits, which can affect the type of defense that evolves in response to pathogens. Previous models that compared the two lacked mechanistic details about host defense, did not consider pathogen proliferation rates, or lacked both features. To address this gap, we developed a detailed mechanistic model of the well-characterized Drosophila melanogaster immune signaling network. We evaluated the factors favoring the evolution of constitutive and induced defenses by comparing the fitness of each strategy under stochastic fly-bacteria interactions. We show that an induced defense is favored when bacteria are at low density, heterogeneously distributed, or have fluctuating distributions in ways that depend on the bacterial proliferation rate. Our model also predicts that the specific negative regulators that optimize the induced response depend on the bacterial proliferation rate. We therefore conclude that an induced immune defense is favored in environments where bacterial encounters are uncertain—because of heterogeneity in spatial or temporal distributions—but that benefit depends on the mechanism of induction and pathogen properties.

Abstract Polo-like kinases (Plks) are essential for spindle attachment to the kinetochore during prophase and the subsequent dissociation after anaphase in both mitosis and meiosis. There are structural differences in the spindle apparatus between mitosis, male meiosis, and female meiosis. It is therefore possible that alleles of Plk genes could improve kinetochore attachment or dissociation in spermatogenesis or oogenesis, but not both. These opposing effects could result in sexually antagonistic selection at Plk loci. In addition, Plk genes have been independently duplicated in many different evolutionary lineages within animals. This raises the possibility that Plk gene duplication may resolve sexual conflicts over mitotic and meiotic functions. We investigated this hypothesis by comparing the evolution, gene expression, and functional effects of the single Plk gene in Drosophila melanogaster (polo) and the duplicated Plks in Drosophila pseudoobscura (Dpse-polo and Dpse-polo-dup1). Dpse-polo-dup1 is expressed primarily in testis, while other Drosophila Plk genes have broader expression profiles. We found that the protein-coding sequence of Dpse-polo-dup1 is evolving significantly faster than a canonical polo gene across all functional domains, yet the essential structure of the encoded protein has been retained. We present additional evidence that the faster evolution of Dpse-polo-dup1 is driven by the adaptive fixation of amino acid substitutions. We also found that over or ectopic expression of polo or Dpse-polo in the D. melanogaster male germline resulted in greater male infertility than expression of Dpse-polo-dup1. Lastly, expression of Dpse-polo or an ovary-derived transcript of polo in the male germline caused males to sire female-biased broods, suggesting that some Plk transcripts can affect the meiotic transmission of the sex chromosomes in the male germline. However, there was no sex-bias in the progeny when Dpse-polo-dup1 was ectopically expressed or a testis-derived transcript of polo was overexpressed in the D. melanogaster male germline. Our results therefore suggest that Dpse-polo-dup1 may have experienced positive selection to improve its regulation of the male meiotic spindle, resolving sexual conflict over meiotic Plk functions. Alternatively, Dpse-polo-dup1 may encode a hypomorphic Plk that has reduced deleterious effects when overexpressed in the male germline. Similarly, testis transcripts of D. melanogaster polo may be optimized for regulating the male meiotic spindle, and we provide evidence that the untranslated regions of the polo transcript may be involved in sex-specific germline functions.