Fungus-growing ants engage in mutualistic associations with both the fungus they cultivate for food and actinobacteria (Pseudonocardia spp.) that produce selective antibiotics to defend that fungus from specialized fungal parasites. We have analyzed one such system at the molecular level and found that the bacterium associated with the ant Apterostigma dentigerum produces dentigerumycin, a cyclic depsipeptide with highly modified amino acids, to selectively inhibit the associated parasitic fungus (Escovopsis sp.).

Attine ants engage in a quadripartite symbiosis with fungi they cultivate for food, specialized garden parasites, and parasite-inhibiting bacteria. Molecular phylogenetic evidence supports an ancient host-pathogen association between the ant-cultivar mutualism and the garden parasite. Here we show that ants rear the antibiotic-producing bacteria in elaborate cuticular crypts, supported by unique exocrine glands, and that these structures have been highly modified across the ants' evolutionary history. This specialized structural evolution, together with the absence of these bacteria and modifications in other ant genera that do not grow fungus, indicate that the bacteria have an ancient and coevolved association with the ants, their fungal cultivar, and the garden parasite.

Abstract Around 150 million years ago, eusocial termites evolved from within the cockroaches, 50 million years before eusocial Hymenoptera, such as bees and ants, appeared. Here, we report the 2-Gb genome of the German cockroach, Blattella germanica , and the 1.3-Gb genome of the drywood termite Cryptotermes secundus . We show evolutionary signatures of termite eusociality by comparing the genomes and transcriptomes of three termites and the cockroach against the background of 16 other eusocial and non-eusocial insects. Dramatic adaptive changes in genes underlying the production and perception of pheromones confirm the importance of chemical communication in the termites. These are accompanied by major changes in gene regulation and the molecular evolution of caste determination. Many of these results parallel molecular mechanisms of eusocial evolution in Hymenoptera. However, the specific solutions are remarkably different, thus revealing a striking case of convergence in one of the major evolutionary transitions in biological complexity.

Significance Old World (sub)tropical fungus-growing termites owe their massive ecological footprints to an advanced symbiosis with Termitomyces fungi. They also have abundant gut bacteria, but the complementarity roles of these symbionts have remained unclear. We analyzed the genomic potential for biomass decomposition in a farming termite, its fungal symbiont, and its bacterial gut communities. We found that plant biomass conversion is mostly a multistage complementary cooperation between Termitomyces and gut bacteria, with termite farmers primarily providing the gut compartments, foraging, and nest building. A mature queen had highly reduced gut microbial diversity for decomposition enzymes, suggesting she had an exclusively fungal diet even though she may have been the source of the gut microbes of the colony’s first workers and soldiers.

Abstract Macrotermitine termites have domesticated fungi in the genus Termitomyces as their primary food source using pre-digested plant biomass. To access the full nutritional value of lignin-enriched plant biomass, the termite-fungus symbiosis requires the depolymerization of this complex phenolic polymer. While most previous work suggests that lignocellulose degradation is accomplished predominantly by the fungal cultivar, our current understanding of the underlying biomolecular mechanisms remains rudimentary. Here, we provide conclusive OMICs and activity-based evidence that Termitomyces partially depolymerizes lignocellulose through the combined actions of high-redox potential oxidizing enzymes (laccases, aryl-alcohol oxidases and a manganese peroxidase), the production of extracellular H 2 O 2 and Fenton-based oxidative degradation, which is catalyzed by a newly described 2-methoxybenzoquinone/hydroquinone redox shuttle system and mediated by secreted chelating dicarboxylic acids. In combination, our approaches reveal a comprehensive depiction of how the efficient biomass degradation mechanism in this ancient insect agricultural symbiosis is accomplished through a combination of white- and brown-rot mechanisms. Importance Fungus-growing termites have perfected the decomposition of recalcitrant plant biomass to access valuable nutrients by engaging in a tripartite symbiosis with complementary contributions from a fungal mutualist and a co-diversified gut microbiome. This complex symbiotic interplay makes them one of the most successful and important decomposers for carbon cycling in Old World ecosystems. To date, most research has focused on the enzymatic contributions of microbial partners to carbohydrate decomposition. Here we provide genomic, transcriptomic and enzymatic evidence that Termitomyces also employs redox mechanisms, including diverse ligninolytic enzymes and a Fenton-based hydroquinone-catalyzed lignin-degradation mechanism, to break down lignin-rich plant material. Insights into these efficient decomposition mechanisms open new sources of efficient ligninolytic agents applicable for energy generation from renewable sources.

The higher classification of termites requires substantial revision as the Neoisoptera, the most diverse termite lineage, comprise many paraphyletic and polyphyletic higher taxa. Here, we produce an updated termite classification using genomic-scale analyses. We reconstruct phylogenies under diverse substitution models with ultraconserved elements analyzed as concatenated matrices or within the multi-species coalescence framework. Our classification is further supported by analyses controlling for rogue loci and taxa, and topological tests. We show that the Neoisoptera are composed of seven family-level monophyletic lineages, including the Heterotermitidae Froggatt, Psammotermitidae Holmgren, and Termitogetonidae Holmgren, raised from subfamilial rank. The species-rich Termitidae are composed of 18 subfamily-level monophyletic lineages, including the new subfamilies Crepititermitinae, Cylindrotermitinae, Forficulitermitinae, Neocapritermitinae, Protohamitermitinae, and Promirotermitinae; and the revived Amitermitinae Kemner, Microcerotermitinae Holmgren, and Mirocapritermitinae Kemner. Building an updated taxonomic classification on the foundation of unambiguously supported monophyletic lineages makes it highly resilient to potential destabilization caused by the future availability of novel phylogenetic markers and methods. The taxonomic stability is further guaranteed by the modularity of the new termite classification, designed to accommodate as-yet undescribed species with uncertain affinities to the herein delimited monophyletic lineages in the form of new families or subfamilies.

Around 150 million years ago, eusocial termites evolved from within the cockroaches, 50 million years before eusocial Hymenoptera, such as bees and ants, appeared. Here, we report the first, 2GB genome of a cockroach, Blattella germanica, and the 1.3GB genome of the drywood termite, Cryptotermes secundus. We show evolutionary signatures of termite eusociality by comparing the genomes and transcriptomes of three termites and the cockroach against the background of 16 other eusocial and non-eusocial insects. Dramatic adaptive changes in genes underlying the production and perception of pheromones confirm the importance of chemical communication in the termites. These are accompanied by major changes in gene regulation and the molecular evolution of caste determination. Many of these results parallel molecular mechanisms of eusocial evolution in Hymenoptera. However, the specific solutions are remarkably different, thus revealing a striking case of convergence in one of the major evolutionary transitions in biological complexity.

Abstract This study showcases 121 new genomes of spore-forming Bacillales from strains collected globally from a variety of habitats, assembled using Oxford Nanopore long-read and MGI short-read sequences. Bacilli are renowned for their capacity to produce diverse secondary metabolites with use in agriculture, biotechnology, and medicine. These secondary metabolites are encoded within biosynthetic gene clusters (smBGCs). smBGCs have significant research interest due to their potential for the discovery of new bioactivate compounds. Our dataset includes 62 complete genomes, 2 at chromosome level, and 57 at contig level, covering a genomic size range from 3.50 Mb to 7.15 Mb. Phylotaxonomic analysis revealed that these genomes span 16 genera, with 69 of them belonging to Bacillus . A total of 1,176 predicted BGCs were identified by in silico genome mining. We anticipate that the open-access data presented here will expand the reported genomic information of spore-forming Bacillales and facilitate a deeper understanding of the genetic basis of Bacillales ’ potential for secondary metabolite production.

Abstract A multitude of factors affect the assemblies of complex microbial communities associated with animal hosts, with implications for community flexibility, resilience and long-term stability; however, their relative effects have rarely been deduced. Here, we use a tractable lab model to quantify the relative and combined effects of parental transmission (egg case microbiome present/reduced), gut inocula (cockroach vs. termite gut provisioned), and varying diets (matched with gut inoculum source) on gut microbiota structure of hatchlings of the omnivorous cockroach Shelfordella lateralis using 16S rDNA amplicon sequencing. We show that the presence of a pre-existing bacterial community via vertical transmission of microbes on egg cases reduces subsequent microbial invasion, suggesting priority effects that allow initial colonizers to take a stronghold and which stabilize the microbiome. However, the subsequent inoculation sources more strongly affect ultimate community composition, with distinct host-taxon-of-origin effects on which bacteria establish. While this is so, communities respond flexibly to specific diets that consequently strongly impact community functions predicted using PICRUSt2. In conclusion, our findings suggest that inoculations drive communities towards different stable states depending on colonization and extinction events, through ecological host-microbe relations and interactions with other gut bacteria, while diet in parallel shapes the functional capabilities of these microbiomes. These effects may lead to consistent microbial communities that maximize the extended phenotype that the microbiota provides the host, particularly if microbes spend most of their lives in host-associated environments. Contribution to the field When host fitness is dependent on gut microbiota, microbial community flexibility and reproducibility enhance host fitness by allowing fine-tuned environmental tracking and sufficient stability for host traits to evolve. Our findings lend support to the importance of vertically transmitted early-life microbiota as stabilizers through interactions with potential colonizers that may contribute to ensuring that the microbiota aligns within host fitness-enhancing parameters. Subsequent colonizations are driven by microbial composition of the sources available, and we confirm that host-taxon-of-origin affects stable subsequent communities, while communities at the same time retain sufficient flexibility to shift in response to available diets. Microbiome structure is thus the result of the relative impact and combined effects of inocula and fluctuations driven by environment-specific microbial sources and digestive needs. These affect short-term community structure on an ecological time scale, but could ultimately shape host species specificities in microbiomes across evolutionary time, if environmental conditions prevail.

Animal gut microbiota affect host physiology and behaviour. In eusocial Hymenoptera, where colony-level integrity is preserved via a nestmate discrimination system based on cuticular hydrocarbon mixtures, microorganismal effects may influence social dynamics. Although nestmate recognition has undergone a thorough exploration during the last four decades, few studies have investigated the putative role of gut microbes. Here we integrate metagenomic, chemical and behavioural approaches to test whether gut microbes affect nestmate recognition in Acromyrmex echinatior leaf-cutting ants. Treating workers with a sterile diet or with antibiotics resulted in a substantial alteration of their gut microbial communities. In pairwise social interactions, untreated vs. antibiotic-treated nestmates behaved more aggressively than other nestmate and non-nestmate pairs, suggesting that the suppression of microbes indirectly alters chemical social cues and triggers aggressive behaviour. Chemical analyses on treated individuals revealed a decrease in the abundance of two metapleural gland antifungal compounds, and we confirmed the correspondence between aggression levels and chemical profile differences. Feeding microbiota-remodelled ants with conspecific faecal droplets partially restored the original bacterial communities. Furthermore, non-nestmates fed with faecal droplets from different colonies were unusually aggressive compared to pairs fed with faecal droplets from the same colony. This suggests that chemicals derived from microbial strains may shape nestmate recognition, opening novel questions about the role of microorganisms in the evolution of social behaviour.