Abstract Acetylcholine signaling has been reported to play essential roles in animal metabolic regulation and disease affected by diets. However, the underlying mechanisms that how diets regulate animal physiology and health are not well understood. Here we found that the acetylcholine receptor gene eat-2 was expressed in most of the pharyngeal muscles, which is in accordance to our previous report that EAT-2 received synaptic signals not only from pharyngeal MC neurons. The expression of fatty acid synthesis genes was significantly increased in both eat-2 and tmc-1 fast-growth mutants on CeMM food environment, compared to the wild-type. Excitingly, dietary fatty acids such as 15-methyl-hexadecanoic acid (C17ISO), palmitic acid (PA, C16:0) and stearic acid (SA, C18:0) supplementation, significantly accelerated wild-type worm development on CeMM, indicating that the fatty acid synthesis reprogramming is an essential strategy for C. elegans to regulate its development and growth on CeMM diet. Furthermore, we found that fatty acid elongase gene elo-6 knock-out significantly attenuated eat-2 mutant’ fast growth, while overexpression of elo-6 could rescue the eat-2; elo-6 double mutant’ slow development, which suggested that elo-6 played a major role in the above metabolic remodeling. Taken together, our report indicates that diets regulate neuromuscular circuit and modulate C. elegans development via fatty acid metabolic reprogramming. As most of the key genes and metabolites found in this study are conserved in both invertebrate and vertebrate animals, we believed that our results might provide essential clues to the molecular mechanisms underlying interactions among animal nutrition sensation, metabolism reprogramming and developmental regulation. Significance Statement Diets and nutritional composition affect animal development and human health, however the underlying mechanisms remain elusive. We demonstrate that the acetylcholine receptor gene eat-2 is expressed in most of pharyngeal muscles, and the expression of fatty acid synthesis genes is significantly increased in both eat-2 and tmc-1 fast-growth mutants on the synthetic chemical defined CeMM food environment. Dietary supplementation of several fatty acids significantly speed up animal development. Furthermore, we demonstrate that the fatty acid elongase gene elo-6 knock-out attenuates eat-2 mutant’ fast growth, and overexpression of wild-type elo-6 promotes the eat-2; elo-6 double mutant’ slow development. Our findings describe that acetylcholine signaling coordinate nutrition sensation and developmental regulation through fatty acid metabolic remodeling.

Ocean acidification and acid rain, caused by modern industrial fossil fuels burning, lead to decrease of living environmental pH, which results in a series of negative effects on many organisms. However, the underlying mechanisms of animals'response to acidic pH stress are largely unknown. In this study, we used the nematode Caenorhabditis elegans as an animal model to explore the regulatory mechanisms of organisms'response to pH decline. Two major stress-responsive pathways were found through transcriptome analysis in acidic stress environments. Firstly, when the pH dropped from 6.33 to 4.33, the worms responded to the pH stress by up-regulation of the col, nas and dpy genes, which are required for cuticle synthesis and structure integrity. Secondly, when the pH continued to decrease from 4.33, the metabolism of xenobiotics by cytochrome P450 pathway genes (cyp, gst, ugt, and ABC transporters) played a major role in protecting the nematodes from the toxic substances probably produced by the more acidic environment. At the same time, cuticle synthesis slowed down might due to its insufficient protective ability. Moreover, the systematic regulation pattern we found in nematodes, might also be applied to other invertebrate and vertebrate animals to survive in the changing pH environments. Thus, our data might lay the foundation to identify the master gene(s) responding and adaptation to acidic pH stress in further studies, and might also provide new solutions to improve assessment and monitoring of ecological restoration outcomes, or generate novel genotypes via genome editing for restoring in challenging environments especially in the context of acidic stress through global climate change.

Nematodes play key roles in marine ecosystem. Although oceans cover 71% of the Earth's surface, none of marine model nematode has been reported. Here, we constructed the first inbred line of free-living marine nematode Litoditis marina, sequenced and assembled its genome. Furthermore, we successfully applied CRISPR/Cas9 genome editing in L. marina. Comparative genomics revealed that immunity and oxygen regulation genes are expanded, which is probably central to its sediment adaptation. While L. marina exhibits massive gene contractions in NHRs, chemoreceptors, xenobiotics detoxification and core histones, which could explain the more defined marine environment. Our experiments showed that dozens of H4 genes in Caenorhabditis elegans might contribute to its adaptation to the complex terrestrial environments, while two H4 genes in L. marina are involved in salinity stress adaptation. Additionally, ninety-two conserved genes appear to be positively selected in L. marina, which may underpin its osmotic, neuronal and epigenetic changes in the sea. With short generation time, highly inbred lines, and genomic resources, our report brings L. marina a promising marine animal model, and a unique satellite marine model to the well-known biomedical model nematode C. elegans. This study will underpin ongoing work on animal functional genomics, environmental adaptation and developmental evolution.

Abstract Diets regulate animal development, reproduction, and lifespan. However, the underlying molecular mechanisms remain elusive. A chemically defined CeMM diet attenuates development and promotes longevity of C. elegans , but whether it impact on other nematodes is unknown. Here, we studied the effect of the CeMM diet on the development and longevity of the marine nematode Litoditis marina , which belongs to the same family as C. elegans . We further investigated genome-wide transcriptional responses to CeMM and OP50 diet for both nematodes, respectively. We observed that the CeMM diet attenuated L. marina development but did not extend its lifespan. We found that many of the FOXO DAF-16 target genes, lysosome and xenobiotic metabolism related genes were significantly increased on the CeMM, which might contribute to the lifespan extension of C. elegans . Notably, we found that the expression of lysosome and xenobiotic metabolism pathway genes was significantly down regulated in L. marina on CeMM, which might explain why the CeMM diet could not promote the lifespan of L. marina compared to bacterial feeding. Additionally, down-regulation of several RNA transcription and protein generation and related processes genes might not only be involved in extending longevity but also contribute to attenuating development of C. elegans on CeMM, while down-regulation of unsaturated fatty acids synthesis genes might contribute to slow down the growth of L. marina on CeMM. Further genetic analysis of candidate gene(s) of longevity and development in C. elegans and L. marina will provide the molecular mechanisms underlying how diets regulate animal physiology and health in the context of global climate change with variable nutritional environments.

Abstract Nematodes are the most abundant metazoans in marine sediments, many of which are bacterivores, however how habitat bacteria effects physiological outcomes in marine nematodes remains largely unknown. Here, we used a Litoditis marina inbred line to assess how native bacteria modulates host nematode physiology. We characterized seasonal dynamic bacterial compositions in L. marina habitats, and examined the impacts of 448 habitat bacteria isolates on L. marina development, then focused on HQbiome with 73 native bacteria, of which we generated 72 whole genomes sequences. Unexpectedly, we found that the effects of marine native bacteria on the development of L. marina and its terrestrial relative Caenorhabditis elegans were significantly positively correlated. Next, we reconstructed bacterial metabolic networks and identified several bacterial metabolic pathways positively correlated with L. marina development (e.g., ubiquinol and heme b biosynthesis), while pyridoxal 5’-phosphate biosynthesis pathway was negatively associated. Through single metabolite supplementation, we verified CoQ 10 , heme b , Acetyl-CoA, and acetaldehyde promoted L. marina development, while vitamin B6 attenuated growth. Notably, we found that only four development correlated metabolic pathways were shared between L. marina and C. elegans . Furthermore, we identified two bacterial metabolic pathways correlated with L. marina lifespan, while a distinct one in C. elegans . Strikingly, we found that glycerol supplementation significantly extended L. marina but not C. elegans longevity. Moreover, we comparatively demonstrated the distinct gut microbiota characteristics and their effects on L. marina and C. elegans physiology. Our integrative approach will provide a microbe–nematodes framework for microbiome mediated effects on host animal fitness.

Abstract Siphonophores (Cnidaria:Hydrozoa) are abundant predators found throughout the ocean and are important components in worldwide zooplankton. They range in length from a few centimeters to tens of meters. They are gelatinous, fragile, and difficult to collect, so many aspects of the biology of these 190 species remain poorly understood. To survey siphonophore genome diversity, we performed Illumina sequencing of 32 species sampled broadly across the phylogeny. Sequencing depth was sufficient to estimate nuclear genome size from k-mer spectra in 8 specimens, ranging from 0.7-4.8Gb. In 6 specimens we got heterozygosity estimates between 0.7-5.3%. Rarefaction analyses indicate k-mer peaks can be absent with as much as 30x read coverage, suggesting minimum genome sizes range from 1.0-3.8Gb in the remaining 27 samples without k-mer peaks. This work confirms most siphonophore nuclear genomes are large, but also identifies several with reduced size that are tractable targets for future siphonophore nuclear genome assembly projects. We also assembled mitochondrial genomes for 32 specimens from these new data, indicating a conserved gene order among Hydrozoa, Cystonectae and some Physonectae, also revealing the ancestral gene organization of siphonophores. There then was extensive rearrangement of mitochondrial genomes within other physonects and in Calycophorae, including the repeated loss of atp8. Though siphonophores comprise a small fraction of cnidarian species, this survey greatly expands our understanding of cnidarian genome diversity. This study further illustrates both the importance of deep phylogenetic sampling and the utility of Illumina genome skimming in understanding genomic diversity of a clade. Significance Descriptions of basic genome features, such as nuclear genome size and mitochondrial genome sequences, remain sparse across many clades in the tree of life, leading to over generalizations from very small sample sizes and often limiting selection of optimal species for genome assembly efforts. Here we use Illumina genome skimming to assess a variety of genome features across 35 siphonophores (Cnidaria). This deep dive within a single clade identifies six species that are optimal candidates of future genomic work, and reveals greater range in nuclear genome size and diversity of mitochondrial genome orders within siphonophores than had been described across all Cnidaria.

Compared with natural enzymes, nanozymes have the advantages of high stability and low cost; however, selectivity and sensitivity are key issues that prevent their further development. In this study, we report a cascade nanozymatic system with significantly improved selectivity and sensitivity that combines more substrate-specific reactions and sensitive fluorescence detection. Taking detection of ascorbic acid (AA) as an example, a cascade catalytic reaction system consisting of oxidase-like N-doped carbon nanocages (NC) and peroxidase-like copper oxide (CuO) improved the reaction selectivity in transforming the substrate into the target product by more than 1200 times against the interference of uric acid. The cascade catalytic reaction system was also applicable for transfer from open reactors into a spatially confined microfluidic device, increasing the slope of the calibration curves by approximately 1000-fold with a linear detection range of 2.5 nmol/L to 100 nmol/L and a low limit of detection of 0.77 nmol/L. This work offers a new strategy that achieves significant improvements in selectivity and sensitivity.