Abstract Background Arthropods comprise the largest and most diverse phylum on Earth and play vital roles in nearly every ecosystem. Their diversity stems in part from variations on a conserved body plan, resulting from and recorded in adaptive changes in the genome. Dissection of the genomic record of sequence change enables broad questions regarding genome evolution to be addressed, even across hyper-diverse taxa within arthropods. Results Using 76 whole genome sequences representing 21 orders spanning more than 500 million years of arthropod evolution, we document changes in gene and protein domain content and provide temporal and phylogenetic context for interpreting these innovations. We identify many novel gene families that arose early in the evolution of arthropods and during the diversification of insects into modern orders. We reveal unexpected variation in patterns of DNA methylation across arthropods and examples of gene family and protein domain evolution coincident with the appearance of notable phenotypic and physiological adaptations such as flight, metamorphosis, sociality and chemoperception. Conclusions These analyses demonstrate how large-scale comparative genomics can provide broad new insights into the genotype to phenotype map and generate testable hypotheses about the evolution of animal diversity.

Abstract The three anterior-most segments in arthropods contain the ganglia that make up the arthropod brain. These segments, the pre-gnathal segments, are known to exhibit many developmental differences to other segments, believed to reflect their divergent morphology. We have analyzed the expression and function of the genes involved in the segment-polarity network in the pre-gnathal segments compared with the trunk segments in the hemimetabolous insect Oncopeltus fasciatus . We show that there are fundamental differences in the way the pre-gnathal segments are generated and patterned, relative to all other segments, and that these differences are general to all arthropods. We argue that given these differences, the pre-gnathal segments should not be considered serially homologous to trunk segments. This realization has important implications for our understanding of the evolution of the arthropod head. We suggest a novel scenario for arthropod head evolution that posits duplication of an ancestral single-segmented head into three descendent segments. This scenario is consistent with what we know of head evolution from the fossil record, and helps reconcile some of the debates about early arthropod evolution.

ABSTRACT Exoskeletons are a defining character of all arthropods that provide physical support for their segmented bodies and appendages as well as protection from the environment and predation. This ubiquitous yet evolutionarily variable feature has been instrumental in facilitating the adoption of a variety of lifestyles and the exploitation of ecological niches across all environments. Throughout the radiation that produced the more than one million described modern species, adaptability afforded by segmentation and exoskeletons has led to a diversity that is unrivalled amongst animals. However, because of the limited extensibility of exoskeleton chitin and cuticle components, they must be periodically shed and replaced with new larger ones, notably to accommodate the growing individuals encased within. Therefore, arthropods grow discontinuously by undergoing periodic moulting events, which follow a series of steps from the preparatory pre‐moult phase to ecdysis itself and post‐moult maturation of new exoskeletons. Each event represents a particularly vulnerable period in an arthropod's life cycle, so processes must be tightly regulated and meticulously executed to ensure successful transitions for normal growth and development. Decades of research in representative arthropods provide a foundation of understanding of the mechanisms involved. Building on this, studies continue to develop and test hypotheses on the presence and function of molecular components, including neuropeptides, hormones, and receptors, as well as the so‐called early, late, and fate genes, across arthropod diversity. Here, we review the literature to develop a comprehensive overview of the status of accumulated knowledge of the genetic toolkit governing arthropod moulting. From biosynthesis and regulation of ecdysteroid and sesquiterpenoid hormones, to factors involved in hormonal stimulation responses and exoskeleton remodelling, we identify commonalities and differences, as well as highlighting major knowledge gaps, across arthropod groups. We examine the available evidence supporting current models of how components operate together to prepare for, execute, and recover from ecdysis, comparing reports from Chelicerata, Myriapoda, Crustacea, and Hexapoda. Evidence is generally highly taxonomically imbalanced, with most reports based on insect study systems. Biases are also evident in research on different moulting phases and processes, with the early triggers and late effectors generally being the least well explored. Our synthesis contrasts knowledge based on reported observations with reasonably plausible assumptions given current taxonomic sampling, and exposes weak assumptions or major gaps that need addressing. Encouragingly, advances in genomics are driving a diversification of tractable study systems by facilitating the cataloguing of putative genetic toolkits in previously under‐explored taxa. Analysis of genome and transcriptome data supported by experimental investigations have validated the presence of an “ultra‐conserved” core of arthropod genes involved in moulting processes. The molecular machinery has likely evolved with elaborations on this conserved pathway backbone, but more taxonomic exploration is needed to characterise lineage‐specific changes and novelties. Furthermore, linking these to transformative innovations in moulting processes across Arthropoda remains hampered by knowledge gaps and hypotheses based on untested assumptions. Promisingly however, emerging from the synthesis is a framework that highlights research avenues from the underlying genetics to the dynamic molecular biology through to the complex physiology of moulting.

One of the best studied developmental processes is the Drosophila segmentation cascade. However, this cascade is generally considered to be highly derived and unusual. We present a detailed analysis of the sequential segmentation cascade of the milkweed bug Oncopletus fasciatus, as a comparison to Drosophila, with the aim of reconstructing the evolution of insect segmentation. We analyzed the expression of 12 genes, representing different phases during segmentation. We reconstruct the spatio-temporal relationships among these genes And their roles and position in the cascade. We conclude that sequential segmentation in the Oncopeltus germband includes three phases: Primary pair-rule genes generate segmental gene expression in the anterior growth zone, followed by secondary pair-rule genes, expressed in the transition between the growth zone and the segmented germband. Segment polarity genes are expressed in the segmented germband. This process generates a single-segment periodicity, and does not have a double-segment pattern at any stage.

Abstract Segmentation in arthropods typically occurs by sequential addition of segments from a posterior growth zone, but cell behaviors producing posterior elongation are not well known. Using precisely staged larvae of the crustacean, Thamnocephalus platyurus , we systematically examined cell division patterns and morphometric changes associated with posterior elongation during segmentation. We show that cell division is required for normal elongation but that cells in the growth zone need only divide ~1.5 times to meet that requirement; correspondingly, direct measures of cell division in the growth zone are low. Morphometric measurements of the growth zone and of newly formed segments suggest tagma-specific features of segment generation. Using methods for detecting two different phases in the cell cycle, we show distinct domains of synchronized cells in the posterior. Borders of cell cycle domains correlate with domains of segmental gene expression, suggesting an intimate link between segment generation and cell cycle regulation. Summary Statement Posterior growth zone has synchronized cell cycle domains but shows little cell division during segment addition in a crustacean. Dimensions of the shrinking posterior growth zone change at tagma boundaries.

Background: The Hemiptera (aphids, cicadas, and true bugs) are a key insect order whose members offer a close outgroup to the Holometabola, with high diversity within the order for feeding ecology and excellent experimental tractability for molecular genetics. Sequenced genomes have recently become available for hemipteran pest species such as phloem-feeding aphids and blood-feeding bed bugs. To complement and build upon these resources, we present the genome sequence and comparative analyses centered on the large milkweed bug, Oncopeltus fasciatus, a seed feeder of the family Lygaeidae. Results: The 926-Mb genome of Oncopeltus is relatively well represented by the current assembly and official gene set, which supports Oncopeltus as a fairly conservative hemipteran species for anchoring molecular comparisons. We use our genomic and RNA-seq data not only to characterize features of the protein-coding gene repertoire and perform isoform-specific RNAi, but also to elucidate patterns of molecular evolution and physiology. We find ongoing, lineage-specific expansion and diversification of repressive C2H2 zinc finger proteins and of intron gain and turnover in the Hemiptera. These analyses also weigh the relative importance of lineage and genome size as predictors of gene structure evolution in insects. Furthermore, we identify enzymatic gains and losses that correlate with hemipteran feeding biology, particularly for reductions in chemoreceptor family size and loss of metabolic reactions within species with derived, fluid-nutrition feeding modes. Conclusions: With the milkweed bug genome, for the first time we have a critical mass of sequenced species representing a hemimetabolous insect order, substantially improving the diversity of insect genomics beyond holometabolans such as flies and ants. We use this addition to define commonalities among the Hemiptera and then delve into how hemipteran species' genomes reflect their feeding ecology types. Our novel and detailed analyses integrate global and rigorous manual approaches, generating hypotheses and identifying specific sets of genes for future investigation. Given Oncopeltus's strength as an experimental research model, we take particular care to evaluate the sequence resources presented here, augmenting its foundation for molecular research and highlighting potentially general considerations exemplified in the assembly and annotation of this medium-sized genome.