To sense myriad environmental odors, animals have evolved multiple, large families of divergent olfactory receptors. How and why distinct receptor repertoires and their associated circuits are functionally and anatomically integrated is essentially unknown. We have addressed these questions through comprehensive comparative analysis of the Drosophila olfactory subsystems that express the ionotropic receptors (IRs) and odorant receptors (ORs). We identify ligands for most IR neuron classes, revealing their specificity for select amines and acids, which complements the broader tuning of ORs for esters and alcohols. IR and OR sensory neurons exhibit glomerular convergence in segregated, although interconnected, zones of the primary olfactory center, but these circuits are extensively interdigitated in higher brain regions. Consistently, behavioral responses to odors arise from an interplay between IR- and OR-dependent pathways. We integrate knowledge on the different phylogenetic and developmental properties of these receptors and circuits to propose models for the functional contributions and evolution of these distinct olfactory subsystems.

Abstract The evolution of animal behaviour is poorly understood. Despite numerous correlations of behavioural and nervous system divergence, demonstration of the genetic basis of interspecific behavioural differences remains rare. Here we develop a novel neurogenetic model, Drosophila sechellia , a close cousin of D. melanogaster that displays profound behavioural changes linked to its extreme host fruit specialisation. Through calcium imaging, we identify olfactory pathways detecting host volatiles. Mutational analysis indicates roles for individual receptors in long- and short-range attraction. Cross-species allele transfer demonstrates that differential tuning of one receptor is important for species-specific behaviour. We identify the molecular determinants of this functional change, and characterise their behavioural significance and evolutionary origin. Circuit tracing reveals that receptor adaptations are accompanied by increased sensory pooling onto interneurons and novel central projection patterns. This work links molecular and neuronal changes to behavioural divergence and defines a powerful model for investigating nervous system evolution and speciation.

Ionotropic Receptors (IRs) are a large subfamily of variant ionotropic glutamate receptors present across Protostomia. While these receptors are most extensively studied for their roles in chemosensory detection in insects, recent work has implicated two family members, IR21a and IR25a, in thermosensation in Drosophila. Here we characterize one of the most deeply conserved receptors, IR93a, and show that it is co-expressed and functions with IR21a and IR25a to mediate physiological and behavioral responses to cool temperatures. IR93a is also co-expressed with IR25a and a distinct receptor, IR40a, in a discrete population of sensory neurons in the sacculus, a multi-chambered pocket within the antenna. We demonstrate that this combination of receptors is important for neuronal responses to dry air and behavioral discrimination of humidity differences. Our results identify IR93a as a common component of molecularly and cellularly distinct IR pathways underlying thermosensation and hygrosensation in insects.

Programmed cell death (PCD) is widespread during neurodevelopment, typically eliminating the surpluses of neuronal production. Employing the Drosophila olfactory system, we examined the potential of cells fated to die to contribute to circuit evolution. Inhibition of PCD is sufficient to generate many new cells that express neural markers and exhibit odor-evoked activity. These “undead” neurons express a subset of olfactory receptors that, intriguingly, is enriched for recent receptor duplicates and include some normally found in other chemosensory organs and life-stages. Moreover, undead neuron axons integrate into the olfactory circuitry in the brain, forming novel receptor/glomerular couplings. Comparison of homologous olfactory lineages across drosophilids reveals natural examples of fate changes from death to a functional neuron. Finally, we provide evidence that PCD contributes to evolutionary differences in carbon dioxide-sensing circuit formation in Drosophila and mosquitoes. These results reveal the remarkable potential of alterations in PCD patterning to evolve new neural pathways.

Taste perception is thought to involve the encoding of appetitive and aversive chemical cues in food through a limited number of sensory pathways. Through expression analysis of the complete repertoire of Drosophila Ionotropic Receptors (IRs), a sensory subfamily of ionotropic glutamate receptors, we reveal that the majority of IRs is expressed in diverse peripheral neuron populations across gustatory organs in both larvae and adults, implying numerous roles in taste-evoked behaviours. We characterise Ir56d, which labels two anatomically-distinct classes of neurons in the proboscis: one represents a subset of sugar- and fatty acid-sensing neurons, while the other responds to carbonated solutions and fatty acids. Mutational analysis shows that IR56d, together with the broadly-expressed co-receptors IR25a and IR76b, is essential for physiological activation by carbonation and fatty acids, but not sucrose. We further demonstrate that carbonation is behaviourally attractive to flies (in an IR56d-dependent manner), but in a distinct way to other appetitive stimuli. Our work provides a valuable toolkit for investigating the taste functions of IRs, defines a molecular basis of carbonation sensing, and illustrates how the gustatory system uses combinatorial expression of sensory receptors in distinct neuron types to coordinate behaviour.