Tribolium castaneum is a member of the most species-rich eukaryotic order, a powerful model organism for the study of generalized insect development, and an important pest of stored agricultural products. We describe its genome sequence here. This omnivorous beetle has evolved the ability to interact with a diverse chemical environment, as shown by large expansions in odorant and gustatory receptors, as well as P450 and other detoxification enzymes. Development in Tribolium is more representative of other insects than is Drosophila, a fact reflected in gene content and function. For example, Tribolium has retained more ancestral genes involved in cell–cell communication than Drosophila, some being expressed in the growth zone crucial for axial elongation in short-germ development. Systemic RNA interference in T. castaneum functions differently from that in Caenorhabditis elegans, but nevertheless offers similar power for the elucidation of gene function and identification of targets for selective insect control. The red flour beetle Tribolium castaneum is a common pest: a type of 'bran bug', it targets cereal products, including grain, flour and rice bran. It is also a commonly used laboratory model, combining the ease of systematic RNA interference experiments such as those used with the nematode worm C. elegans with a biology that is more representative of most insects than even Drosophila. This weeks sees the publication by the Tribolium Genome Sequencing Consortium of the genomic sequence of T. castaneum. This is the first beetle genome to be published, and it will be a valuable resource for insect development studies and pest biology. The beetle Tribolium castaneum is a commonly used laboratory model, combining the ease of systematic RNAi experiments like those in Caenorhabditis elegans, with biology that is more representative of most insects than Drosophila melanogaster. A large consortium has sequenced and analysed the genome of the red flour beetle, creating a resource for biologists everywhere.

The dorsoventral axis of the Drosophila embryo is determined by a morphogen gradient established by the action of 12 maternal-effect genes: the dorsal group genes and cactus. One of the dorsal group genes, dorsal (dl), encodes the putative morphogen. Although no overall asymmetry in the distribution of dorsal protein is observed, a gradient of nuclear concentration of dl protein is established during cleavage stages, with a maximum at the ventral side of the egg. At the dorsal side of the egg, the protein remains in the cytoplasm. Nuclear localization of the dl protein, and hence gradient formation, is blocked in dorsalizing alleles of all of the other dorsal group genes, while in ventralizing mutants nuclear localization extends to the dorsal side of the egg. A correlation between dl protein distribution and embryonic pattern in mutant embryos indicates that the nuclear concentration of the dl protein determines pattern along the dorsoventral axis.

In Drosophila, the dorsal-ventral polarity of the egg chamber depends on the localization of the oocyte nucleus and the gurken RNA to the dorsal-anterior corner of the oocyte. Gurken protein presumably acts as a ligand for the Drosophila EGF receptor (torpedo/DER) expressed in the somatic follicle cells surrounding the oocyte. cornichon is a gene required in the germline for dorsal-ventral signaling. cornichon, gurken, and torpedo also function in an earlier signaling event that establishes posterior follicle cell fates and specifies the anterior-posterior polarity of the egg chamber. Mutations in all three genes prevent the formation of a correctly polarized microtubule cytoskeleton required for proper localization of the anterior and posterior determinants bicoid and oskar and for the asymmetric positioning of the oocyte nucleus.

Organizers play important roles during the embryonic development of many animals. The most famous example is the Spemann organizer that sets up embryonic axes in amphibian embryos. In spiders, a group of BMP secreting mesenchymal cells (the cumulus) functions as an organizer of the dorsoventral axis. Similar to experiments performed with the Spemann organizer, transplantation of the cumulus is able to induce a secondary axis in spiders. Despite the importance of this structure, it is unknown which factors are needed to activate cumulus specific gene expression. To address this question, we performed a transcriptomic analysis of early embryonic development in the spider Parasteatoda tepidariorum. Through this work, we found that the transcription factor Pt-Ets4 is needed for cumulus integrity, dorsoventral patterning and for the activation of Pt-hunchback and Pt-twist expression. Furthermore, ectopic expression of Pt-Ets4 is sufficient to induce cell delamination and migration by inducing a mesoderm-like cell fate.

Despite recent efforts to sample broadly across metazoan and insect diversity, current sequence resources in the Coleoptera do not adequately describe the diversity of the clade. Here we present deep, staged transcriptomic data for two coleopteran species, Atrachya menetriesi (Faldermann 1835) and Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775). Our sampling covered key stages in ovary and early embryonic development in each species. We utilized this data to build combined assemblies for each species which were then analysed in detail. The combined A. menetriesi assembly consists of 228,096 contigs with an N50 of 1,598 bp, while the combined C. maculatus assembly consists of 128,837 contigs with an N50 of 2,263 bp. For these assemblies, 34.6% and 32.4% of contigs were identified using Blast2GO, and 97% and 98.3% of the BUSCO set of metazoan orthologs were present, respectively. We also carried out manual annotation of developmental signalling pathways and found that nearly all expected genes were present in each transcriptome. Our analyses show that both transcriptomes are of high quality. Lastly, we performed read mapping utilising our timed, stage specific RNA samples to identify differentially expressed contigs. The resources presented here will provide a firm basis for a variety of experimentation, both in developmental biology and in comparative genomic studies.

Abstract Dorsoventral pattering relies on Toll and BMP signalling in all insects studied so far, with variations in the relative contributions of both pathways. Drosophila and the beetle Tribolium share extensive dependence on Toll, while representatives of more distantly related lineages like the wasp Nasonia and bug Oncopeltus rely more strongly on BMP signalling. Here, we show that in the cricket Gryllus bimaculatus , an evolutionarily distant outgroup, Toll has, like in Drosophila , a direct patterning role for the ventral half of the embryo. In addition Toll polarizes BMP signalling, although this does not involve the conserved BMP inhibitor Sog/Chordin. Finally, Toll activation relies on ovarian patterning mechanisms with striking similarity to Drosophila. Our data suggest two surprising hypotheses: 1) that Toll’s patterning function in Gryllus and Drosophila is the result of convergent evolution or 2) a Drosophila-like system arose early in insect evolution, and was extensively altered in multiple independent lineages.

Abstract Most gene functions were detected by screens in very few model organisms but it has remained unclear how comprehensive these data are. Here, we expanded our RNAi screen in the red flour beetle Tribolium castaneum to cover more than half of the protein-coding genes and we compared the gene sets involved in several processes between beetle and fly. We find that around 50 % of the gene functions are detected in both species while the rest was found only in fly ( ~ 10%) or beetle ( ~ 40%) reflecting both technical and biological differences. We conclude that work in complementary model systems is required to gain a comprehensive picture on gene functions documented by the annotation of novel GO terms for 96 genes studied here. The RNAi screening resources developed in this project, the expanding transgenic tool-kit and our large-scale functional data make T. castaneum an excellent model system in that endeavor.

The Drosophila Fog pathway represents one of the best-understood signaling cascades controlling epithelial morphogenesis. During gastrulation, Fog induces apical cell constrictions that drive the invagination of mesoderm and posterior gut primordia. The cellular mechanisms underlying primordia internalization vary greatly among insects and recent work has suggested that Fog signaling is specific to the fast mode of gastrulation found in some flies. On the contrary, here we show in the beetle Tribolium, whose development is broadly representative for insects, that Fog has multiple morphogenetic functions. It modulates mesoderm internalization and controls a massive posterior infolding involved in gut and extraembryonic development. In addition, Fog signaling affects blastoderm cellularization, primordial germ cell positioning and cuboidal-to-squamous cell shape transitions in the extraembryonic serosa. Comparative analyses with two other distantly related insect species reveals that Fog’s role during cellularisation is widely conserved and therefore might represent the ancestral function of the pathway.

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.