Comparative analysis of the genomes of one mollusc (Lottia gigantea) and two annelids (Capitella teleta and Helobdella robusta) enable a more complete reconstruction of genomic features of the last common ancestors of protostomes, bilaterians and metazoans; against this conserved background they provide the first glimpse into lineage-specific evolution and diversity of the lophotrochozoans. This paper presents the draft genome sequences of two annelids — a freshwater leech (Helobdella robusta) and a bristly, segmented marine worm (Capitella teleta) — and a mollusc, the owl limpet (Lottia gigantea). These two phyla account for nearly one-third of known marine species and are of importance both ecologically and as experimental systems, yet they have not been served well by genomics efforts. Comparison of these genomes with those already available reveal some of the genetic changes linked to the origin and diversification of bilateral animals that are thought to have evolved during the 'Cambrian explosion' of multicellular life around 500 million years ago. Current genomic perspectives on animal diversity neglect two prominent phyla, the molluscs and annelids, that together account for nearly one-third of known marine species and are important both ecologically and as experimental systems in classical embryology1,2,3. Here we describe the draft genomes of the owl limpet (Lottia gigantea), a marine polychaete (Capitella teleta) and a freshwater leech (Helobdella robusta), and compare them with other animal genomes to investigate the origin and diversification of bilaterians from a genomic perspective. We find that the genome organization, gene structure and functional content of these species are more similar to those of some invertebrate deuterostome genomes (for example, amphioxus and sea urchin) than those of other protostomes that have been sequenced to date (flies, nematodes and flatworms). The conservation of these genomic features enables us to expand the inventory of genes present in the last common bilaterian ancestor, establish the tripartite diversification of bilaterians using multiple genomic characteristics and identify ancient conserved long- and short-range genetic linkages across metazoans. Superimposed on this broadly conserved pan-bilaterian background we find examples of lineage-specific genome evolution, including varying rates of rearrangement, intron gain and loss, expansions and contractions of gene families, and the evolution of clade-specific genes that produce the unique content of each genome.

Octopus bimaculoides genome and transcriptome sequencing demonstrated that a core gene repertoire broadly similar to that of other invertebrate bilaterians is accompanied by expansions in the protocadherin and C2H2 zinc-finger transcription factor families and large-scale genome rearrangements closely associated with octopus-specific transposable elements. Octopuses have been called 'the most intelligent invertebrate', with a host of complex behaviours, and a nervous system comparable in size to that of mammals but organized in a very different manner. It had been hypothesized that, as in vertebrates, whole-genome duplication contributed to the evolution of this complex nervous system. Caroline Albertin et al. have sequenced the genome and multiple transcriptomes of the California two-spot octopus (Octopus bimaculoides) and find no evidence for such duplications but there are large-scale genome rearrangements closely associated with octopus-specific transposable elements. The core developmental and neuronal gene repertoire turns out to be broadly similar to that of other invertebrates, apart from expansions in two gene families formerly thought to be uniquely expanded in vertebrates — the protocadherins (cell-adhesion molecules that regulate neural development) and the C2H2 superfamily of zinc-finger transcription factors. Coleoid cephalopods (octopus, squid and cuttlefish) are active, resourceful predators with a rich behavioural repertoire1. They have the largest nervous systems among the invertebrates2 and present other striking morphological innovations including camera-like eyes, prehensile arms, a highly derived early embryogenesis and a remarkably sophisticated adaptive colouration system1,3. To investigate the molecular bases of cephalopod brain and body innovations, we sequenced the genome and multiple transcriptomes of the California two-spot octopus, Octopus bimaculoides. We found no evidence for hypothesized whole-genome duplications in the octopus lineage4,5,6. The core developmental and neuronal gene repertoire of the octopus is broadly similar to that found across invertebrate bilaterians, except for massive expansions in two gene families previously thought to be uniquely enlarged in vertebrates: the protocadherins, which regulate neuronal development, and the C2H2 superfamily of zinc-finger transcription factors. Extensive messenger RNA editing generates transcript and protein diversity in genes involved in neural excitability, as previously described7, as well as in genes participating in a broad range of other cellular functions. We identified hundreds of cephalopod-specific genes, many of which showed elevated expression levels in such specialized structures as the skin, the suckers and the nervous system. Finally, we found evidence for large-scale genomic rearrangements that are closely associated with transposable element expansions. Our analysis suggests that substantial expansion of a handful of gene families, along with extensive remodelling of genome linkage and repetitive content, played a critical role in the evolution of cephalopod morphological innovations, including their large and complex nervous systems.

Cassava (Manihot esculenta) provides calories and nutrition for more than half a billion people. It was domesticated by native Amazonian peoples through cultivation of the wild progenitor M. esculenta ssp. flabellifolia and is now grown in tropical regions worldwide. Here we provide a high-quality genome assembly for cassava with improved contiguity, linkage, and completeness; almost 97% of genes are anchored to chromosomes. We find that paleotetraploidy in cassava is shared with the related rubber tree Hevea, providing a resource for comparative studies. We also sequence a global collection of 58 Manihot accessions, including cultivated and wild cassava accessions and related species such as Ceará or India rubber (M. glaziovii), and genotype 268 African cassava varieties. We find widespread interspecific admixture, and detect the genetic signature of past cassava breeding programs. As a clonally propagated crop, cassava is especially vulnerable to pathogens and abiotic stresses. This genomic resource will inform future genome-enabled breeding efforts to improve this staple crop.

Ultrasound has been used to non-invasively manipulate neuronal functions in humans and other animals. However, this approach is limited as it has been challenging to target specific cells within the brain or body. Here, we identify human Transient Receptor Potential A1 (hsTRPA1) as a candidate that confers ultrasound sensitivity to mammalian cells. Ultrasound-evoked gating of hsTRPA1 specifically requires its N-terminal tip region and cholesterol interactions; and target cells with an intact actin cytoskeleton, revealing elements of the sonogenetic mechanism. Next, we use calcium imaging and electrophysiology to show that hsTRPA1 potentiates ultrasound-evoked responses in primary neurons. Furthermore, unilateral expression of hsTRPA1 in mouse layer V motor cortical neurons leads to c-fos expression and contralateral limb responses in response to ultrasound delivered through an intact skull. Collectively, we demonstrate that hsTRPA1-based sonogenetics can effectively manipulate neurons within the intact mammalian brain, a method that could be used across species.

ABSTRACT Regenerating animals have the ability to reproduce organs that were originally generated in the embryo and subsequently lost due to injury. Understanding whether the process of regeneration mirrors development is an open question in most regenerative species. Here we take a transcriptomics approach to examine to what extent leg regeneration shows the same temporal patterns of gene expression as leg development in the embryo, in the crustacean Parhyale hawaiensis . We find that leg development in the embryo shows stereotypic temporal patterns of gene expression. In contrast, global patterns of gene expression during leg regeneration show a high degree of variation, related to the physiology of individual animals. A major driver of this variation is the molting cycle. After dissecting the transcriptional signals of individual physiology from regeneration, we obtain temporal signals that mark distinct phases of leg regeneration. Comparing the transcriptional dynamics of development and regeneration we find that, although both processes use largely the same genes, the temporal patterns in which these gene sets are deployed are different and cannot be systematically aligned. HIGHLIGHTS Single-limb data on transcriptional dynamics of leg development and regeneration Developing embryonic legs show stereotypic transcriptional profiles Regenerating leg transcriptomes show a high degree on individual variation Regenerating leg transcriptomes are influenced by adult physiology, especially molting Regenerating leg transcriptomes reveal distinct phases of leg regeneration Leg development and regeneration use overlapping sets of genes in different temporal patterns

ABSTRACT Transient Potential Receptor (TRP) ion channels are a diverse superfamily of multimodal molecular sensors that respond to a wide variety of stimuli, including mechanical, chemical, and thermal. TRP channels are present in most eukaryotes but best understood in mammalian, worm, and fly genetic models, where they are expressed in diverse cell-types and commonly associated with the nervous system. Here, we characterized TRP superfamily gene and genome evolution to better understand origins and evolution of molecular sensors, brains, and behavior in animals and help advance development of novel genetic technologies, like sonogenetics. We developed a flexible push-button bioinformatic and phylogenomic pipeline, GIGANTIC, that generated genome-based gene and species trees and enabled phylogenetic characterization of challenging remote homologs and distantly-related organisms deep in evolution. We identified complete sets of TRP superfamily ion channels, with over 3000 genes in 22 animal phyla and 70 species having publicly-available sequenced genomes, including 3 unicellular outgroups. We then identified clusters of TRP family members in genomes, evaluated gene models per cluster, and repaired split gene models. We also produced whole-organism PacBio transcriptomes for five species to independently validate our gene model assessment and model repairs. We find that many TRP families exhibited numerous and often extensive expansions in different phyla. Some expansions represent local clusters on respective genomes, a trend that is likely undercounted due to varied quality in genome assemblies and annotations of non-model organisms. Our work expands known TRP diversity across animals, including addition of previously uncharacterized phyla and identification of unrecognized homologs in previously characterized species.

Octopus laqueus is a small tropical octopus found in Okinawa, Japan and the greater Indo-Pacific. Octopus are often viewed as solitary animals but O. laqueus live in close proximity in the wild, and will potentially encounter one another on a regular basis, raising the possibility of sociality in the species. To test for social tolerance and social repulsion in O. laqueus, animals were kept in communal tanks, and the number of dens and sex composition was varied per tank, with a set mixture of sizes and with den occupancy tracked per individual. We found that O. laqueus will socially tolerate other individuals by sharing tanks and dens, including several animals in contact and sharing a den under den-limited conditions, and with typically no loss to cannibalism or escape. However, animals also exhibit significant levels of social repulsion, and individuals often chose a solitary den when given the option. The patterns of den occupancy are observed to be consistent with a maximum entropy model. Overall, the preference to have a den is stronger than the preference to be solitary in O. laqueus, and the animals are socially tolerant of others in the tank and in a den or shelter, a first for octopuses outside mating. The relaxed disposition and social tolerance of O. laqueus make it a promising species to work with in lab, and for development into a genetic model for social behavior in octopuses.

1 Abstract Functional and biodiversity genomics is essential for assessment and monitoring of planetary health and species-specific management in changing ecosystems. However, experimental knowledge of gene functions is limited to a few species, and dependencies on distantly related models. Combined with unrecognized degrees of lineage-specific gene family expansion, this means that traditional comparative methods are insufficient. Here, we clarify definitions of homology and genomic ‘dark matter’ and introduce the concept of a hotspot, defined as innovations underlying the evolution of lineage-specific biology. We illustrate hotspots using molluscs having chromosome-scale genome assemblies and focus on heat-sensing TRPM channels and species living in environments of extreme heat stress (e.g., high intertidal and hydrothermal vent gastropods and bivalves). Integrating gene family, orthogroup, and domain-based methods with genomic hotspots (local paralog expansions on chromosomes), we show that conventional approaches overlook substantial amounts of species-specific gene family diversity due to limitations of distant homology detection. In contrast, local segmental duplications are often recent, lineage-specific genetic innovations reflecting emerging adaptions and can be identified for any genome. Revealed TRPM gene family diversification highlights unique neural and behavioral mechanisms that could be beneficial in predicting species’ resilience to heat stress. In summary, the identification of hotspots and their integration with other types of analyses illuminate evolutionary (neuro)genomic strategies that do not depend on knowledge from model organisms and unbiasedly reveal evolutionarily recent lineage-specific adaptations. This strategy enables discoveries of biological innovations across species as prospective targets for modeling, management, and biodiversity conservation.

Abstract Epigenetic regulatory mechanisms are divergent across the animal kingdom, yet little is known about the epigenome in non-model organisms. Unique features of cephalopods make them attractive for investigating behavioral, sensory, developmental and regenerative processes, but using molecular approaches in such studies is hindered by the lack of knowledge about genome organization and gene regulation in these animals. We combined bioinformatic and molecular analysis of Octopus bimaculoides to identify gene expression signatures for 12 adult tissues and a hatchling, and investigate the presence and pattern of DNA methylation and histone methylation marks across tissues. This revealed a dynamic gene expression profile encoding several epigenetic regulators, including DNA methylation maintenance factors that were highly conserved and functional in cephalopods, as shown by detection of 5-methyl-cytosine in multiple tissues of octopus, squid and bobtail squid. WGBS of octopus brain and RRBS from a hatchling revealed that less than 10% of CpGs are methylated, highlighting a non-random distribution in the genome of all tissues, with enrichment in the bodies of a subset of 14,000 genes and absence from transposons. Each DNA methylation pattern encompassed genes with distinct functions and, strikingly, many of these genes showed similar expression levels across tissues. In contrast to the static pattern of DNA methylation, the histone marks H3K27me3, H3K9me3 and H3K4me3 were detected at different levels in diverse cephalopod tissues. This suggests the methylome and histone code cooperate to regulate tissue specific gene expression in a way that may be unique to cephalopods.

Imaging living organisms at high spatial resolution requires effective and innocuous immobilization. Long-term imaging, across development or behavioral states, places further demands on sample mounting with minimal perturbation of the organism. Here we present a simple and inexpensive method for rapid encapsulation of small animals of any developmental stage within a photocrosslinked polyethylene glycol (PEG) hydrogel, gently restricting movement within their confined spaces. Immobilized animals maintained a normal, uncompressed morphology in a hydrated environment and could be exposed to different aqueous chemicals. We focus in particular on the nematode C. elegans, an organism that is typically viewed with paralyzing reagents, nanobeads, adhesives, or microfluidic traps. The hydrogel is optically clear, non-autofluorescent, and nearly index-matched with water for use with light-sheet microscopy. We captured volumetric images of optogenetically-stimulated responses in multiple sensory neurons over 14 hours using a diSPIM light-sheet microscope, and immobilized worms were recoverable and viable after 24 hours encapsulation. We further imaged living pygmy squid hatchlings to demonstrate size scalability, characterized immobilization quality for various crosslinking parameters and identified paralytic-free conditions suitable for high-resolution single cell imaging. PEG hydrogel encapsulation enables continuous observation for hours of small living organisms, from yeast to zebrafish, and is compatible with multiple microscope mounting geometries.