Understanding the genetic and molecular mechanisms governing the evolution of morphology is a major challenge in biology. Because most animals share a conserved repertoire of body-building and -patterning genes, morphological diversity appears to evolve primarily through changes in the deployment of these genes during development. The complex expression patterns of developmentally regulated genes are typically controlled by numerous independent cis-regulatory elements (CREs). It has been proposed that morphological evolution relies predominantly on changes in the architecture of gene regulatory networks and in particular on functional changes within CREs. Here, we discuss recent experimental studies that support this hypothesis and reveal some unanticipated features of how regulatory evolution occurs. From this growing body of evidence, we identify three key operating principles underlying regulatory evolution, that is, how regulatory evolution: (i) uses available genetic components in the form of preexisting and active transcription factors and CREs to generate novelty; (ii) minimizes the penalty to overall fitness by introducing discrete changes in gene expression; and (iii) allows interactions to arise among any transcription factor and downstream CRE. These principles endow regulatory evolution with a vast creative potential that accounts for both relatively modest morphological differences among closely related species and more profound anatomical divergences among groups at higher taxonomical levels.

To elucidate the evolutionary origin of nervous system centralization, we investigated the molecular architecture of the trunk nervous system in the annelid Platynereis dumerilii. Annelids belong to Bilateria, an evolutionary lineage of bilateral animals that also includes vertebrates and insects. Comparing nervous system development in annelids to that of other bilaterians could provide valuable information about the common ancestor of all Bilateria. We find that the Platynereis neuroectoderm is subdivided into longitudinal progenitor domains by partially overlapping expression regions of nk and pax genes. These domains match corresponding domains in the vertebrate neural tube and give rise to conserved neural cell types. As in vertebrates, neural patterning genes are sensitive to Bmp signaling. Our data indicate that this mediolateral architecture was present in the last common bilaterian ancestor and thus support a common origin of nervous system centralization in Bilateria.

Abstract Transcriptional enhancers are short DNA sequences controlling the spatial activity, timing and levels of eukaryotic gene transcription. Their quantitative transcriptional output is thought to result from the number and organization of transcription factor binding sites (TFBSs). Yet, how the various aspects of regulatory information are encoded in enhancer sequences remains elusive. We addressed this question by quantifying the spatial activity of the yellow spot enhancer active in developing Drosophila wings. To identify which enhancer DNA sequence contributes to enhancer activity, we introduced systematic mutations along the enhancer. We developed an analytic framework that uses comprehensive descriptors to quantify reporter assay in transgenic flies and measure spatial variations in activity levels across the wing. Our analysis highlights an unexpected density of regulatory information in the spot enhancer sequence. Furthermore, it reveals an unanticipated regulatory logic underlying the activity of this enhancer, and how it reads the wing trans -regulatory landscape to encode a spatial pattern.

Abstract Epithelia are dynamic tissues that self-remodel during their development. At morphogenesis, the tissue-scale organization of epithelia is obtained through a sum of individual contributions of the cells constituting the tissue. Therefore, understanding any morphogenetic event first requires a thorough segmentation of its constituent cells. This task, however, usually implies extensive manual correction, even with semi-automated tools. Here we present EPySeg, an open source, coding-free software that uses deep learning to segment epithelial tissues automatically and very efficiently. EPySeg, which comes with a straightforward graphical user interface, can be used as a python package on a local computer, or on the cloud via Google Colab for users not equipped with deep-learning compatible hardware. By alleviating human input in image segmentation, EPySeg accelerates and improves the characterization of epithelial tissues for all developmental biologists.

Abstract Behavior evolution can promote the emergence of agricultural pests via ecological niche changes. The underlying neuronal mechanisms are poorly understood. We investigate the chemosensory changes underlying the evolutionary shift of oviposition substrate of the pest Drosophila suzukii from rotten to ripe fruits. Using a model substrate for fermented fruits and genetic manipulations, we show that an increase in valuation of fruit sugars during oviposition decisions drives D. suzukii to oviposit on ripe fruits as opposed to the model D. melanogaster which prefers rotten fruits. Inter-species comparative in vivo calcium imaging of sugar Gustatory Receptor Neurons suggests that increased sugar valuation in D. suzukii is related to neuronal sensitivity changes at multiple levels of the oviposition circuitry. Our results show that the tuning of sugar valuation has contributed to the evolution of oviposition preference on ripe fruit of D. suzukii .

Morphological diversity is dominated by variation in body proportion. Yet the cellular processes underlying differential growth of morphological traits between species remain largely unknown. Here we compare the ovipositors of two closely related species, Drosophila melanogaster and D. suzukii. D. suzukii has switched its egg laying niche from rotting to ripe fruit. Along with this shift, the D. suzukii ovipositor has undergone a significant change in size and shape. Using an allometric approach we find that, while adult ovipositor width has hardly changed between the species, D. suzukii ovipositor length is almost double that of D. melanogaster. We show that this size difference mostly arises during a 6 hour time window in the middle of pupal development. We observe that the developing ovipositors of the two species comprise an almost identical number of cells, with a very similar profile of cell shapes and orientations. After cell division stops, we find that the ovipositor area continues to grow through the isotropic expansion of cell apical area. Remarkably, at one point, the rate of cell apical area expansion is more than 4 times faster in D. suzukii than in D. melanogaster. In addition, we find that an anisotropic cellular reorganization of the developing ovipositor results in a net elongation of the tissue, despite the isotropic expansion of cell size, and is enhanced in D. suzukii. Therefore, the quantitative fine-tuning of shared, morphogenetic processes (the rate of cell size expansion and the cellular rearrangements) can drive macroscopic evolutionary changes in organ size and shape.

Evidence is accumulating that evolutionary changes are not only common during biological invasions but may also contribute directly to invasion success. The genomic basis of such changes is still largely unexplored. Yet, understanding the genomic response to invasion may help to predict the conditions under which invasiveness can be enhanced or suppressed. Here we characterized the genome response of the spotted wing drosophila Drosophila suzukii during the worldwide invasion of this pest insect species, by conducting a genome-wide association study to identify genes involved in adaptive processes during invasion. Genomic data from 22 population samples were analyzed to detect genetic variants associated with the status (invasive versus native) of the sampled populations based on a newly developed statistic, we called C2 , that contrasts allele frequencies corrected for population structure. This new statistical framework has been implemented in an upgraded version of the program BayPass. We identified a relatively small set of single nucleotide polymorphisms (SNPs) that show a highly significant association with the invasive status of populations. In particular, two genes RhoGEF64C and cpo, the latter contributing to natural variation in several life-history traits (including diapause) in Drosophila melanogaster, contained SNPs significantly associated with the invasive status in the two separate main invasion routes of D. suzukii . Our methodological approaches can be applied to any other invasive species, and more generally to any evolutionary model for species characterized by non-equilibrium demographic conditions for which binary covariables of interest can be defined at the population level.

Many animal species are comprised of discrete phenotypic forms. Understanding the genetic mechanisms generating and maintaining such phenotypic variation within species is essential to comprehending morphological diversity. A common and conspicuous example of discrete phenotypic variation in natural populations of insects is the occurrence of different colour patterns, which has motivated a rich body of ecological and genetic research. The occurrence of dark, i.e. melanic, forms, displaying discrete colour patterns, is found across multiple taxa, but the underlying genomic basis remains poorly characterized. In numerous ladybird species (Coccinellidae), the spatial arrangement of black and orange patches on adult elytra varies wildly within species, forming strikingly different complex colour patterns. In the harlequin ladybird Harmonia axyridis, more than 200 distinct colour forms have been described, which classic genetic studies suggest result from allelic variation at a single, unknown, locus. Here, we combined whole-genome sequencing, population genomics, gene expression and functional analyses, to establish that the gene pannier controls melanic pattern polymorphism in H. axyridis. We show that pannier, which encodes an evolutionary conserved transcription factor, is necessary for the formation of melanic elements on the elytra. Allelic variation in pannier leads to protein expression in distinct domains on the elytra, and thus determines the distinct colour patterns in H. axyridis. Recombination between pannier alleles may be reduced by a highly divergent sequence of ca. 170 kb in the cis-regulatory regions of pannier with a 50 kb inversion between colour forms. This likely helps maintaining the distinct alleles found in natural populations. Thus we propose that highly variable discrete colour forms can arise in natural populations through cis-regulatory allelic variation of a single gene.