Abstract Insecticide resistance is an economically important example of evolution in response to intense selection pressure. Here, the genetics of resistance to the neonicotinoid insecticide imidacloprid is explored using the Drosophila Genetic Reference Panel, a collection of inbred Drosophila melanogaster genotypes derived from a single population in North Carolina. Imidacloprid resistance varied substantially among genotypes, and more resistant genotypes tended to show increased capacity to metabolize and excrete imidacloprid. Variation in resistance level was then associated with genomic and transcriptomic variation, implicating several candidate genes involved in central nervous system function and the cytochrome P450s Cyp6g1 and Cyp6g2. CRISPR-Cas9 mediated removal of Cyp6g1 suggested that it contributed to imidacloprid resistance only in backgrounds where it was already highly expressed. Cyp6g2 , previously implicated in juvenile hormone synthesis via expression in the ring gland, was shown to be expressed in metabolically relevant tissues of resistant genotypes. Cyp6g2 overexpression was shown to both metabolize imidacloprid and confer resistance. These data collectively suggest that imidacloprid resistance is influenced by a variety of previously known and unknown genetic factors.

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 plight of insect populations around the world and the threats it poses to agriculture and ecosystems has thrown insecticide use into the spotlight. Spinosad is an organic insecticide, considered less harmful to beneficial insects than synthetic insecticides, but its mode of action remains unclear. Using Drosophila, we show that low doses of spinosad reduce cholinergic response in neurons by antagonizing Dα6 nAChRs. Dα6 nAChRs are transported to lysosomes that become enlarged and accumulate upon spinosad treatment. Oxidative stress is initiated in the central nervous system, and spreads to midgut and disturbs lipid storage in metabolic tissues in a Dα6-dependent manner. Spinosad toxicity was ameliorated with the antioxidant N-Acetylcysteine amide (NACA). Chronic exposures lead to mitochondrial defects, severe neurodegeneration and blindness in adult animals. The many deleterious effects of low doses of this insecticide reported here point to an urgent need for rigorous investigation of its impacts on beneficial insects.

Abstract Resistance to insecticides through enhanced metabolism is a worldwide problem. The Cyp6g1 gene of the vinegar fly, Drosophila melanogaster , is a paradigm for the study of metabolic resistance. Constitutive overexpression of this gene confers resistance to several chemical classes of insecticides, including the neonicotinoids exemplified by the insecticide imidacloprid (IMI). The metabolism of IMI in this species has been previously shown to yield oxidative and nitro-reduced metabolites. While levels of the oxidative metabolites are correlated with CYP6G1 expression, nitro-reduced metabolites are not, raising the question of how these metabolites are produced. Some IMI metabolites are known to be toxic, making their fate within the insect a second question of interest. These questions have been addressed by coupling the genetic tools of gene overexpression and CRISPR gene knock-out with the sensitive mass spectrometric technique, the Twin-Ion Method (TIM). Analysing axenic larvae indicated that microbes living within D. melanogaster are largely responsible for the production of the nitro-reduced metabolites. Knock-out of Cyp6g1 revealed functional redundancy, with some metabolites produced by CYP6G1 still detected. IMI metabolism was shown to produce toxic products that are not further metabolized but readily excreted, even when produced in the Central Nervous System (CNS), highlighting the significance of transport and excretion in metabolic resistance.

Abstract Pesticides remain one of the most effective ways of controlling agricultural and public health insects, but much is still unknown regarding how these compounds reach their targets. Specifically, the role of ABC transporters in pesticide absorption and excretion is poorly understood, especially compared to the detailed knowledge in mammalian systems. Here, we present a comprehensive characterization of pesticide transporters in the model insect D. melanogaster . An RNAi screen was performed, which knocked down individual ABCs in targeted epithelial tissue, examining the subsequent changes in sensitivity to the pesticides spinosad and fipronil. This simultaneously implicated a novel ABC drug transporter CG4562 but also highlighted a predominant role for the P-glycoprotein orthologue Mdr65 . Further characterization of the P-glycoprotein family was performed via transgenic overexpression and immunolocalization, finding that Mdr49 and Mdr50 play enigmatic roles in pesticide toxicology perhaps determined by their different subcellular localizations within the midgut. Lastly, heterologous expression of the Mdr65 orthologue from the major malaria vector Anopheles gambiae was used to establish an in vivo characterization system for the characterization of P-glycoproteins from non-model insects in D. melanogaster . This study provides the basis for establishing Drosophila as a model for toxicology research regarding drug transporters.