Abstract Barcode-based tracking of individuals revolutionizes the study of animal behaviour, but further progress hinges on whether specific behaviours can be monitored. We achieve this goal by combining information obtained from the barcodes with image analysis through convolutional neural networks. Applying this novel approach to a challenging test case, the honeybee hive, we reveal that food exchange among bees generates two distinct social networks with qualitatively different transmission capabilities.

Abstract The evolutionary origins of eusociality represent increases in complexity from individual to caste-based, group reproduction. These behavioral transitions have been hypothesized to go hand-in-hand with an increased ability to regulate when and where genes are expressed. Bees have convergently evolved eusociality up to five times, providing a framework to test this hypothesis. To examine potential links between putative gene regulatory elements and social evolution, we compare alignable, non-coding sequences in eleven diverse bee species, encompassing three independent origins of reproductive division of labor and two elaborations of eusocial complexity. We find that rates of evolution in a number of non-coding sequences correlate with key social transitions in bees. Interestingly, while we find little evidence for convergent rate changes associated with independent origins of social behavior, a number of molecular pathways exhibit convergent rate changes in conjunction with subsequent elaborations of social organization. We also present evidence that many novel non-coding regions may have been recruited alongside the origin of sociality in corbiculate bees; these loci could represent gene regulatory elements associated with division of labor within this group. Thus, our findings are consistent with the hypothesis that gene regulatory innovations are associated with the evolution of eusociality and illustrate how a thorough examination of both coding and non-coding sequence can provide a more complete understanding of the molecular mechanisms underlying behavioral evolution.

Abstract Sweat bees have repeatedly gained and lost eusociality, a transition from individual to group reproduction. Here, we generate chromosome-length genome assemblies for 17 species and identify genomic signatures of evolutionary trade-offs associated with transitions between social and solitary living. Both young genes and regulatory regions show enrichment for these molecular patterns. We also identify loci that show evidence of complementary signals of positive and relaxed selection linked specifically to the convergent gains and losses of eusociality in sweat bees. This includes two proteins that bind and transport juvenile hormone (JH) – a key regulator of insect development and reproduction. We find one of these JH binding proteins is primarily expressed in subperineurial glial cells that form the insect blood-brain barrier and that brain levels of JH vary by sociality. Our findings are consistent with a role of JH in modulating social behavior and suggest eusocial evolution was facilitated by alteration of the proteins that bind and transport JH, revealing how an ancestral, developmental hormone may have been co-opted during one of life’s major transitions. More broadly, our results highlight how trade-offs have structured the molecular basis of eusociality in these bees and demonstrate how both directional selection and release from constraint can shape trait evolution.

Abstract Understanding the regulatory architecture of phenotypic variation is a fundamental goal in biology, but connections between gene regulatory network (GRN) activity and individual differences in behavior are poorly understood. We characterized the molecular basis of behavioral plasticity in queenless honey bee ( Apis mellifera ) colonies, where individuals engage in both reproductive and non-reproductive behaviors. Using high-throughput behavioral tracking, we discovered these colonies contain a continuum of phenotypes, with some individuals specialized for either egg-laying or foraging and “generalists” that perform both. Brain gene expression and chromatin accessibility profiles were correlated with behavioral variation, with generalists intermediate in behavior and molecular profiles. Models of brain GRNs constructed for individuals revealed that transcription factor (TF) activity was highly predictive of behavior, and behavior-associated regulatory regions had more TF motifs. These results provide new insights into the important role played by brain GRN plasticity in the regulation of behavior, with implications for social evolution.

Evolutionary transitions to a social lifestyle in insects are associated with lineage-specific changes in gene expression, but the key nodes that drive these regulatory changes are unknown. We examined the relationship between social organization and lineage-specific microRNAs (miRNAs). Genome scans across 12 bee species showed that miRNA copy-number is mostly conserved and not associated with sociality. However, deep sequencing of small RNAs in six bee species revealed a substantial proportion (20-35%) of detected miRNAs had lineage-specific expression in the brain, 24-72% of which did not have homologs in other species. Lineage-specific miRNAs disproportionately target lineage-specific genes, and have lower expression levels than shared miRNAs. The predicted targets of lineage-specific miRNAs are not enriched for genes with caste-biased expression or genes under positive selection in social species. Together, these results suggest that novel miRNAs may coevolve with novel genes, and thus contribute to lineage-specific patterns of evolution in bees, but do not appear to have significant influence on social evolution. Our analyses also support the hypothesis that many new miRNAs are purged by selection due to deleterious effects on mRNA targets, and suggest genome structure is not as influential in regulating bee miRNA evolution as has been shown for mammalian miRNAs.

Alkali bees (Nomia melanderi) are solitary relatives of the halictine bees, which have become an important model for the evolution of social behavior, but for which few solitary comparisons exist. These ground-nesting bees defend their developing offspring against pathogens and predators, and thus exhibit some of the key traits that preceded insect sociality. Alkali bees are also efficient native pollinators of alfalfa seed, which is a crop of major economic value in the United States. We sequenced, assembled, and annotated a high-quality draft genome of 299.6 Mbp for this species. Repetitive content makes up more than one-third of this genome, and previously uncharacterized transposable elements are the most abundant type of repetitive DNA. We predicted 10,847 protein coding genes, and identify 479 of these undergoing positive directional selection with the use of population genetic analysis based on low-coverage whole genome sequencing of 19 individuals. We found evidence of recent population bottlenecks, but no significant evidence of population structure. We also identify 45 genes enriched for protein translation and folding, transcriptional regulation, and triglyceride metabolism evolving slower in alkali bees compared to other halictid bees. These resources will be useful for future studies of bee comparative genomics and pollinator health research.

Comparative genomic studies of social insects suggest that changes in gene regulation are associated with evolutionary transitions in social behavior, but the activity of predicted regulatory regions has not been tested empirically. We used STARR-seq, a high-throughput enhancer discovery tool, to identify and measure the activity of enhancers in the socially variable sweat bee, Lasioglossum albipes . We identified over 36,000 enhancers in the L. albipes genome from three social and three solitary populations. Many enhancers were identified in only a subset of L. albipes populations, revealing rapid divergence in regulatory regions within this species. Population-specific enhancers were often proximal to the same genes across populations, suggesting compensatory gains and losses of regulatory regions may preserve gene activity. We also identified 1182 enhancers with significant differences in activity between social and solitary populations, some of which are conserved regulatory regions across species of bees. These results indicate that social trait variation in L. albipes is driven both by the fine-tuning of ancient enhancers as well as lineage-specific regulatory changes. Combining enhancer activity with population genetic data revealed variants associated with differences in enhancer activity and identified a subset of differential enhancers with signatures of selection associated with social behavior. Together, these results provide the first empirical map of enhancers in a socially flexible bee and highlight links between cis-regulatory variation and the evolution of social behavior.