Opsin proteins are fundamental components of animal vision whose structure largely determines the sensitivity of visual pigments to different wavelengths of light. Surprisingly little is known about opsin evolution in beetles, even though they are the most species rich animal group on Earth and exhibit considerable variation in visual system sensitivities. We reveal the patterns of opsin evolution across 62 beetle species and relatives. Our results show that the major insect opsin class (SW) that typically confers sensitivity to "blue" wavelengths was lost ~300 million years ago, before the origin of modern beetles. We propose that UV and LW opsin gene duplications have restored the potential for trichromacy (three separate channels for colour vision) in beetles up to 12 times and more specifically, duplications within the UV opsin class have likely led to the restoration of "blue" sensitivity up to 10 times. This finding reveals unexpected plasticity within the insect visual system and highlights its remarkable ability to evolve and adapt to the available light and visual cues present in the environment.

SUMMARY Introgression is arguably one of the most important biological processes in the evolution of groups of related species, affecting at least 10% of the extant species in the animal kingdom. Introgression reduces genetic divergence between species, and in some cases can be highly beneficial, facilitating rapid adaptation to ever-changing environmental pressures. Introgression also significantly impacts inference of phylogenetic species relationships where a strictly binary tree model cannot adequately explain reticulate net-like species relationships. Here we use phylogenomic approaches to understand patterns of introgression along the evolutionary history of a unique, non-model insect system: dragonflies and damselflies (Odonata). We demonstrate that introgression is a pervasive evolutionary force across various taxonomic levels within Odonata. In particular, we show that the morphologically “intermediate” species of Anisozygoptera (one of the three primary suborders within Odonata besides Zygoptera and Anisoptera), which retain phenotypic characteristics of the other two suborders, experienced high levels of introgression likely coming from zygopteran genomes. Additionally, we found evidence for multiple cases of deep inter-superfamilial ancestral introgression.

Abstract Fireflies and their fascinating luminous courtships have inspired centuries of scientific study. Today firefly luciferase is widely used in biotechnology, but the evolutionary origin of their bioluminescence remains unclear. To shed light on this long-standing question, we sequenced the genomes of two firefly species that diverged over 100 million-years-ago: the North American Photinus pyralis and Japanese Aquatica lateralis. We also sequenced the genome of a related click-beetle, the Caribbean Ignelater luminosus, with bioluminescent biochemistry near-identical to fireflies, but anatomically unique light organs, suggesting the intriguing but contentious hypothesis of parallel gains of bioluminescence. Our analyses support two independent gains of bioluminescence between fireflies and click-beetles, and provide new insights into the genes, chemical defenses, and symbionts that evolved alongside their luminous lifestyle. One Sentence Summary: Comparative analyses of the first linkage-group-resolution genomes of fireflies and related bioluminescent beetles address long-standing questions of the origin and evolution of bioluminescence and its associated traits.

Abstract Bioluminescence is found across the tree of life and has many functions. Yet we understand very little about its timing and origins, particularly as a predator avoidance strategy. Understanding the timing between bioluminescence and predator origins has yet to be examined and can help elucidate the evolution of this ecologically important aposematic signal. Using the most prevalent bioluminescent group, fireflies, where bioluminescence primarily functions as aposematic and sexual signals, the timing for the origins of both potential predators of fireflies and bioluminescence is explored. Divergence time estimations were performed using genomic-scale phylogenetic reconstructions, and multiple fossil calibration points, allowing for a robust estimate for the origin of lampyrid bioluminescence as a terrestrial and as an aerial signal. Our results recover the origins of terrestrial beetle bioluminescence at 141.17 (122.63–161.17) mya and firefly aerial bioluminescence at 133.18 (117.86–152.47) mya with a large dataset focused on Lampyridae; and terrestrial bioluminescence as 148.03 (130.12–166.80) mya, with the age of aerial bioluminescence at 104.97 (99.00–120.90) mya with a complementary broad Elateroidea dataset. These ages predate the origins of all known extant aerial predators (i.e., bats and birds) and support the much older terrestrial predators (assassin bugs, frogs, ground beetles, lizards, snakes, hunting spiders, and harvestmen) as the most likely drivers of terrestrial bioluminescence in beetles, and sexual signaling likely being the original function in aerial fireflies.

Abstract Grass inflorescence development is diverse and complex and involves sophisticated but poorly understood interactions of genes regulating branch determinacy and leaf growth. Here, we use a combination of transcript profiling, genetic and phylogenetic analyses to investigate tasselsheath1 ( tsh1 ) and tsh4 , two maize genes that simultaneously suppress inflorescence leaf growth and inhibit branching. We identify a regulatory network of inflorescence leaf suppression that involves the phase change gene tsh4 upstream of tsh1 and the ligule identity gene liguleless2 ( lg2 ). We also find that a series of duplications in the tsh1 gene lineage facilitated its shift from boundary domain in non-grasses to suppressed inflorescence leaves of grasses. Collectively, these results suggest that the boundary domain genes tsh1 and lg2 were recruited to inflorescence leaves where they suppress growth and regulate a non-autonomous signaling center that promotes inflorescence branching, an important component of yield in cereal grasses.

Insects have evolved complex and diverse visual systems in which light-sensing protein molecules called opsins couple with a chromophore to form photopigments. Insect photopigments group into three major gene families based on wavelength sensitivity: long wavelength (LW), short wavelength (SW), and ultraviolet wavelength (UV). Here, we identified 123 opsin sequences from whole genome assemblies across 25 caddisfly species (Insecta: Trichoptera). We discovered the LW opsins have the most diversity across species and form two separate clades in the opsin gene tree. Conversely, we observed a loss of the SW opsin in half of the trichopteran species in this study, which might be associated with the fact that caddisflies are active during low-light conditions. Lastly, we found a single copy of the UV opsin in all the species in this study, with one exception: Athripsodes cinereus has two copies of the UV opsin and resides within a clade of caddisflies with colorful wing patterns.

Abstract Insects have evolved complex and diverse visual systems in which light-sensing protein molecules called opsins couple with a chromophore to form photopigments. Insect photopigments group into three major gene families based on wavelength sensitivity: long wavelength (LW), short wavelength (SW), and ultraviolet wavelength (UV). Here, we identified 123 opsin sequences from whole genome assemblies across 25 caddisfly species (Insecta: Trichoptera). We discovered the LW opsins have the most diversity across species and form two separate clades in the opsin gene tree. Conversely, we observed a loss of the SW opsin in half of the trichopteran species in this study, which might be associated with the fact that caddisflies are active during low-light conditions. Lastly, we found a single copy of the UV opsin in all the species in this study, with one exception: Athripsodes cinereus has two copies of the UV opsin and resides within a clade of caddisflies with colorful wing patterns. Significance While opsin evolution in some insect groups has been well-characterized, it has never been studied across caddisflies. Our findings provide insight into the diversity of opsins in caddisflies and form a basis for further research into the evolutionary drivers and complex visual systems in Trichoptera.

Abstract Animals shift activity periods to reduce predation, minimize competition, or exploit new resources, and this can drive sensory system evolution. But adaptive mechanisms underlying niche- shifts are poorly understood, and model organisms are often too distantly related to reveal the genetic drivers. To address this, we examined expression patterns between two closely related silk moths that have undergone temporal niche divergence. We found 200-700 differentially expressed genes, including day upregulation in eye development and visual processing genes, and night upregulation of antennal and olfactory brain development genes. Further, clusters of circadian, sensory, and brain development genes co-expressed with diel-activity. In both species, eight genes showed expression significantly correlated to diel activity, and are involved in vision, olfaction, brain development, neural plasticity, energy utilization, and cellular maintenance. We repeatedly recovered disco , a zinc- finger transcription factor involved in antennal development, circadian activity, and optic lobe brain development in flies. While disco mutants have circadian arrhythmia, most studies attribute this to improper clock neuron development, not adult circadian maintenance. Comparing predicted 3D protein structure across moth and fly genetic models revealed disco likely retained developmental function with a conserved zinc finger domain, but gained functional zinc finger domains absent in D. melanogaster. These regions have several mutations between nocturnal and diurnal species that co- occur with higher levels of predicted phosphorylation sites. With robust circadian expression, functional nocturnal and diurnal mutations, and structural and sequence conservation, we hypothesize that disco may be a master regulator contributing to diel-activity diversification in adult moths. Significance Insect diel-activity patterns are diverse, yet the underlying evolutionary processes are poorly understood. Light environment powerfully entrains circadian rhythms and drives diel-niche and sensory evolution. To investigate its impact, we compared gene expression in closely related day- and night-active wild silk moths, with otherwise similar ecologies. Expression patterns that varied with diel activity included genes linked to eye development, neural plasticity and cellular maintenance. Notably, disco , which encodes a zinc-finger transcription factor involved in pupal Drosophila optic lobe and antennal development, shows robust adult circadian mRNA cycling in moth heads, is highly conserved in moths, and has additional zinc-finger domains with specific nocturnal and diurnal mutations. We hypothesize that disco may contribute to diversification of adult diel-activity patterns in moths.

Abstract Insects use their antennae to collect environmental information. While the structural diversity of insect antennae is immediately obvious, the diversity of the minute antennal sensilla that interact with the environmental stimuli and translate them into sensory input, is largely unknown for many insect groups. This includes the beetle family Lampyridae, which includes nocturnal species that use bioluminescent signals during mate search, and diurnal species that rely exclusively on pheromones to identify and locate a potential mate. Diurnal species tend to have relatively larger antennae, and diurnal males have larger antennae than their females. It is generally assumed that antennal size reflects sensilla numbers, but this remains to be tested. Here we use Scanning Electron Microscopy to document the sensilla diversity of both males and females of three diurnal and four nocturnal firefly species, as well as total sensilla numbers, densities and their distribution along the antenna. We identified 14 sensilla morphotypes across the seven species, including 12 morphotypes that are new for Lampyridae. Mechanosensilla (3 morphotypes) were the most abundant and conserved sensilla across firefly species, and the distribution of chemosensilla (9 morphotypes) was unexpectedly variable across species. We hypothesized that the differences in mating signals between diurnal and nocturnal fireflies would be reflected in their chemosensilla counts or densities. As predicted, diurnal and nocturnal fireflies did not differ in their mechanoreceptor counts or densities, nor did males and females. In contrast, firefly males had significantly more chemoreceptors (and higher densities) than females and the interaction term (activity by sex) was also significant: diurnal males had significantly more chemoreceptors than nocturnal males, highlighting the importance of pheromones for diurnal species. Based on a series of predictions, we also identified a pheromone sensilla candidate for each species that will facilitate functional testing in future studies.