The shift from solitary to social behavior is one of the major evolutionary transitions. Primitively eusocial bumblebees are uniquely placed to illuminate the evolution of highly eusocial insect societies. Bumblebees are also invaluable natural and agricultural pollinators, and there is widespread concern over recent population declines in some species. High-quality genomic data will inform key aspects of bumblebee biology, including susceptibility to implicated population viability threats.We report the high quality draft genome sequences of Bombus terrestris and Bombus impatiens, two ecologically dominant bumblebees and widely utilized study species. Comparing these new genomes to those of the highly eusocial honeybee Apis mellifera and other Hymenoptera, we identify deeply conserved similarities, as well as novelties key to the biology of these organisms. Some honeybee genome features thought to underpin advanced eusociality are also present in bumblebees, indicating an earlier evolution in the bee lineage. Xenobiotic detoxification and immune genes are similarly depauperate in bumblebees and honeybees, and multiple categories of genes linked to social organization, including development and behavior, show high conservation. Key differences identified include a bias in bumblebee chemoreception towards gustation from olfaction, and striking differences in microRNAs, potentially responsible for gene regulation underlying social and other traits.These two bumblebee genomes provide a foundation for post-genomic research on these key pollinators and insect societies. Overall, gene repertoires suggest that the route to advanced eusociality in bees was mediated by many small changes in many genes and processes, and not by notable expansion or depauperation.

ABSTRACT The standard evolutionary theory of ageing predicts a negative relationship (trade-off) between fecundity and longevity. However, this relationship can become positive: (i) under the influence of longevity-enhancing mutations; (ii) when individuals have unequal resources; and (iii) in eusocial insects, in which reproductive queens outlive less- or non-reproductive workers. Developmental diet is likely to be central to determining trade-offs as it affects key fitness traits such as adult body size, but its exact role remains uncertain. For example, in Drosophila melanogaster fruit flies, changes in adult diet can affect fecundity, longevity, and gene expression throughout life, but it is unknown how changes in developmental (larval) diet affect fecundity-longevity relationships or gene expression in adults. Using D. melanogaster , we therefore tested the hypothesis that variation in developmental diet alters the directionality of fecundity-longevity relationships in adults, and characterised associated gene expression changes. We reared D. melanogaster larvae on low (20%), medium (100%), and high (120%) SYA (Sugar Yeast Agar) diets, and transferred adult females developing from these larvae to a common (110% SYA) adult diet. We measured life-time fertility (realised fecundity) and longevity of individual adult females and, using mRNA-seq, profiled gene expression changes across two time-points. Adult females raised on the different larval diets exhibited fecundity-longevity relationships that were significantly different in directionality, i.e., varied from positive to negative, despite minimal differences in mean life-time fertility or longevity. Treatments also differed in age-related gene expression, including expression of genes known to be associated with ageing. Hence, this study shows that the sign of fecundity-longevity relationships in adult insects can be altered and even reversed by variation in larval diet quality. Furthermore, larval diet quality may be a key mechanistic factor underpinning positive fecundity-longevity relationships observed in species such as eusocial insects.

In ovipositing animals, egg placement decisions can be key determinants of offspring survival. One oviposition strategy reported across taxa is egg clustering, whereby a female lays multiple eggs next to one another or next to the eggs of other females. The fitness benefits of egg clustering, especially in mixed maternity clusters, are unknown. In some species, mothers provision eggs with diffusible defence compounds, such as antimicrobials, raising the possibility of public good benefits arising from egg clustering. Here we report that Drosophila melanogaster females frequently lay eggs in mixed maternity clusters. We tested two hypotheses for potential drivers of this oviposition behaviour: (i) the microbial environment affects fecundity and egg placement in groups of D. melanogaster females; (ii) D. melanogaster eggs exhibit antimicrobial activity. The results partially supported the first hypothesis. Females exposed to environmental microbes that naturally colonised the oviposition substrates in the absence of antimicrobial preservatives reduced their levels of fecundity but did not significantly alter egg clustering. In contrast, the presence of commensal (fly-associated) microbes did not affect oviposition. The second hypothesis was not supported. There was no evidence of antimicrobial activity, either in whole eggs or in soluble surface material extracted from them. In conclusion, while there was no evidence that oviposition decisions are shaped by the opportunity to share antimicrobials, there is evidence that the microbial environment provides cues that females use to make sophisticated decisions on fecundity and egg placement.

The ability to respond plastically to environmental cues is a key determinant of fitness. In changing environments, females plastically adjust the number and placement of eggs they lay, allowing them to optimise the level of resources available for offspring by minimising over-exploitation whilst also accruing potential cooperative benefits such as through communal larval feeding. This suggests that the pattern of female egg laying should vary across differing social environments, to balance potential for cooperative benefits versus competitive costs of egg clustering. Here we test this prediction in the fruit fly Drosophila melanogaster. We developed a mathematical null model, which verified that females lay eggs on substrates in significantly non-random patterns. We then tested the effects of manipulating social density and egg density on the egg laying patterns of mated females. As the density of adult females was increased, females laid more eggs, laid them faster, and laid more eggs in clusters. Females also preferred to place eggs within existing egg clusters -and most egg clusters were of mixed maternity. These results show that females in groups, or females that encounter already laid eggs, adjust their laying to place more eggs in mixed maternity clusters. Overall, the results are consistent with our predictions and reveal that females exhibit active choice in egg investment and egg deposition patterns in response to variation in social environments.

ABSTRACT Eusocial insect queens have been suggested to be counter-examples to the standard evolutionary theory of ageing through lacking costs of reproduction. Using the bumblebee ( Bombus terrestris ), we tested this hypothesis experimentally against the alternative that costs of reproduction exist in eusocial insect queens, but are latent, resulting in the positive fecundity-longevity relationship typically found in unmanipulated queens. We experimentally increased queens’ costs of reproduction by removing their eggs, which causes queens to increase their egg-laying rate. Treatment queens had significantly reduced longevity relative to control queens whose egg-laying rate was not increased. In addition, treatment and control queens differed in age-related gene expression based on mRNA-seq in both their overall expression profiles and the expression of ageing-related genes. Remarkably, this occurred principally with respect to relative age, not chronological age. These results provide the first simultaneously phenotypic and transcriptomic experimental evidence of costs of reproduction in queens of eusocial insects and suggest how the genetic pathways underpinning ageing might become remodelled during eusocial evolution.