Aphids are important agricultural pests and also biological models for studies of insect-plant interactions, symbiosis, virus vectoring, and the developmental causes of extreme phenotypic plasticity. Here we present the 464 Mb draft genome assembly of the pea aphid Acyrthosiphon pisum. This first published whole genome sequence of a basal hemimetabolous insect provides an outgroup to the multiple published genomes of holometabolous insects. Pea aphids are host-plant specialists, they can reproduce both sexually and asexually, and they have coevolved with an obligate bacterial symbiont. Here we highlight findings from whole genome analysis that may be related to these unusual biological features. These findings include discovery of extensive gene duplication in more than 2000 gene families as well as loss of evolutionarily conserved genes. Gene family expansions relative to other published genomes include genes involved in chromatin modification, miRNA synthesis, and sugar transport. Gene losses include genes central to the IMD immune pathway, selenoprotein utilization, purine salvage, and the entire urea cycle. The pea aphid genome reveals that only a limited number of genes have been acquired from bacteria; thus the reduced gene count of Buchnera does not reflect gene transfer to the host genome. The inventory of metabolic genes in the pea aphid genome suggests that there is extensive metabolite exchange between the aphid and Buchnera, including sharing of amino acid biosynthesis between the aphid and Buchnera. The pea aphid genome provides a foundation for post-genomic studies of fundamental biological questions and applied agricultural problems.

The prevailing paradigm of host-parasite evolution is that arms races lead to increasing specialisation via genetic adaptation. Insect herbivores are no exception and the majority have evolved to colonise a small number of closely related host species. Remarkably, the green peach aphid, Myzus persicae, colonises plant species across 40 families and single M. persicae clonal lineages can colonise distantly related plants. This remarkable ability makes M. persicae a highly destructive pest of many important crop species. To investigate the exceptional phenotypic plasticity of M. persicae, we sequenced the M. persicae genome and assessed how one clonal lineage responds to host plant species of different families. We show that genetically identical individuals are able to colonise distantly related host species through the differential regulation of genes belonging to aphid-expanded gene families. Multigene clusters collectively upregulate in single aphids within two days upon host switch. Furthermore, we demonstrate the functional significance of this rapid transcriptional change using RNA interference (RNAi)-mediated knock-down of genes belonging to the cathepsin B gene family. Knock-down of cathepsin B genes reduced aphid fitness, but only on the host that induced upregulation of these genes. Previous research has focused on the role of genetic adaptation of parasites to their hosts. Here we show that the generalist aphid pest M. persicae is able to colonise diverse host plant species in the absence of genetic specialisation. This is achieved through rapid transcriptional plasticity of genes that have duplicated during aphid evolution.

Insects and their arthropod relatives including mites, spiders, and crustaceans play major roles in the world’s terrestrial, aquatic, and marine ecosystems. Arthropods compete with humans for food and transmit devastating diseases. They also comprise the most diverse and successful branch of metazoan evolution, with millions of extant species. Here, we describe an international effort to guide arthropod genomic efforts, from species prioritization to methodology and informatics. The 5000 arthropod genomes initiative (i5K) community met formally in 2012 to discuss a roadmap for sequencing and analyzing 5000 high-priority arthropods and is continuing this effort via pilot projects, the development of standard operating procedures, and training of students and career scientists. With university, governmental, and industry support, the i5K Consortium aspires to deliver sequences and analytical tools for each of the arthropod branches and each of the species having beneficial and negative effects on humankind.

The relationship between aphids and their host plants is thought to be functionally analogous to plant-pathogen interactions. Although virulence effector proteins that mediate plant defenses are well-characterized for pathogens such as bacteria, oomycetes, and nematodes, equivalent molecules in aphids and other phloem-feeders are poorly understood. A dual transcriptomic-proteomic approach was adopted to generate a catalog of candidate effector proteins from the salivary glands of the pea aphid, Acyrthosiphon pisum. Of the 1557 transcript supported and 925 mass spectrometry identified proteins, over 300 proteins were identified with secretion signals, including proteins that had previously been identified directly from the secreted saliva. Almost half of the identified proteins have no homologue outside aphids and are of unknown function. Many of the genes encoding the putative effector proteins appear to be evolving at a faster rate than homologues in other insects, and there is strong evidence that genes with multiple copies in the genome are under positive selection. Many of the candidate aphid effector proteins were previously characterized in typical phytopathogenic organisms (e.g., nematodes and fungi) and our results highlight remarkable similarities in the saliva from plant-feeding nematodes and aphids that may indicate the evolution of common solutions to the plant-parasitic lifestyle.

Abstract Although asexual linages evolved from sexual lineages in many different taxa, the genetics of sex loss remains poorly understood. We addressed this issue in the pea aphid Acyrthosiphon pisum, whose natural populations encompass lineages performing cyclical parthenogenesis (CP) and producing one sexual generation per year, as well as obligate parthenogenetic (OP) lineages that can no longer produce sexual females but can still produce males. A SNP-based, whole-genome scan of CP and OP populations sequenced in pools (103 individuals from six populations) showed that a single X-linked region controls the variation in reproductive mode. This 840-kb region is highly divergent between CP and OP populations (F ST = 34.9%), with >2000 SNPs or short Indels showing a high degree of association with the phenotypic trait. Comparison of de novo genome assemblies built from long reads did not reveal large structural rearrangements between CP and OP lineages within the candidate region. This reproductive polymorphism still appears relatively ancient, as we estimated its age at ~0.25 million years from the divergence between cp and op alleles. The low genetic differentiation between CP and OP populations at the rest of the genome (F ST = 2.4%) suggests gene flow between them. Males from OP lineages thus likely transmit their op allele to new genomic backgrounds. This “contagious asexuality”, combined with environment-induced selection (each reproductive mode being favored under different climates) probably contributes to the long-term persistence of the cp and op alleles. Significance Asexual taxa occur in all major clades of Eukaryotes and derive from related sexual species. Yet, the genetic basis for these transitions is poorly known because crosses cannot generally be performed to genetically map the ability to propagate asexually. As a result, only one gene responsible for sex loss has been identified in one animal species. Here, using pooled genome sequencing, we identified an 840kb region (carrying 32 genes) that controls the transition to permanent asexuality in the pea aphid. We also revealed that sexual and asexual alleles diverged 0.25 million years ago and that asexual lineages likely persist through contagious asexuality, providing new insights into the mechanisms of coexistence of sexual and asexual lineages.

Background The prevailing paradigm of host-parasite evolution is that arms races lead to increasing specialisation via genetic adaptation. Insect herbivores are no exception, and the majority have evolved to colonise a small number of closely related host species. Remarkably, the green peach aphid, Myzus persicae, colonises plant species across 40 families and single M. persicae clonal lineages can colonise distantly related plants. This remarkable ability makes M. persicae a highly destructive pest of many important crop species. Results To investigate the exceptional phenotypic plasticity of M. persicae, we sequenced the M. persicae genome and assessed how one clonal lineage responds to host plant species of different families. We show that genetically identical individuals are able to colonise distantly related host species through the differential regulation of genes belonging to aphid-expanded gene families. Multigene clusters collectively up-regulate in single aphids within two days upon host switch. Furthermore, we demonstrate the functional significance of this rapid transcriptional change using RNA interference (RNAi)-mediated knock-down of genes belonging to the cathepsin B gene family. Knock-down of cathepsin B genes reduced aphid fitness, but only on the host that induced up-regulation of these genes. Conclusions Previous research has focused on the role of genetic adaptation of parasites to their hosts. Here we show that the generalist aphid pest M. persicae is able to colonise diverse host plant species in the absence of genetic specialisation. This is achieved through rapid transcriptional plasticity of genes that have duplicated during aphid evolution.

Abstract Background Local assembly with short and long reads has proven to be very useful in many applications: reconstruction of the sequence of a locus of interest, gap-filling in draft assemblies, as well as alternative allele reconstruction of large insertion variants. Whereas linked-read technologies have a great potential to assemble specific loci as they provide long-range information while maintaining the power and accuracy of short-read sequencing, there is a lack of local assembly tools for linked-read data. Results We present MTG-Link, a novel local assembly tool dedicated to linked-reads. The originality of the method lies in its read subsampling step which takes advantage of the barcode information contained in linked-reads mapped in flanking regions. We validated our approach on several datasets from different linked-read technologies. We show that MTG-Link is able to assemble successfully large sequences, up to dozens of Kb. We also demonstrate that the read subsampling step of MTG-Link considerably improves the local assembly of specific loci compared to other existing short-read local assembly tools. Furthermore, MTG-Link was able to fully characterize large insertion variants in a human genome and improved the contiguity of a 1.3 Mb locus of biological interest in several individual genomes of the mimetic butterfly ( Heliconius numata ). Conclusions MTG-Link is an efficient local assembly tool designed for different linked-read sequencing technologies. MTG-Link source code is available at https://github.com/anne-gcd/MTG-Link and as a Bioconda package. Contact anne.guichard@irisa.fr

Aphids are major pests of most of the crops worldwide. Such a success is largely explained by the remarkable plasticity of their reproductive mode. They reproduce efficiently by parthenogenesis during spring and summer generating important damage on crops. At the end of the summer, asexual females perceive the photoperiod shortening and transduce this signal towards their embryos that change their reproductive fate to produce sexual individuals: males and oviparous females. After mating, those sexual oviparous females lay cold-resistant eggs. Previous studies based on large-scale transcriptomic analyses suggested that dopamine pathway might be a key player in the integration of decrease of the autumnal photoperiodic signal to promote the switch of embryonic germline fate. In this study, we investigated the role of dopamine pathway in the photoperiodic response of the pea aphid Acyrthosiphon pisum. We first analysed the level of expression of ten genes of this pathway in heads and embryos of aphids reared under long-days (asexual producers) or short-days (sexual producers). We then performed in situ hybridization experiments to localize in embryos the ddc and pale transcripts that are coding for two rate-limiting enzymes in dopamine synthesis. We then used pharmacological approaches to inject aphids with dopamine or a pale inhibitor to mimic short days and long days conditions and observe a putative effect on the distribution of their offspring. Altogether, our results indicate that photoperiod shortening is associated with a reduction in dopamine synthesis that might affect cuticle sclerotization process rather than neuro-transmission. Using CRISPR-Cas9 mutagenesis, we also tried to knock out ddc gene in eggs produced after the mating of sexual individuals. We could observe strong melanization defaults in ddc mutated eggs, which confidently mimicked drosophila phenotype. Nevertheless, such a lethal phenotype did not allow us to investigate the precise role of ddc in photoperiod shortening signal integration prior to the reproductive mode switch.

Ecology of insects is as wide as their diversity, which reflects their high capacity of adaptation in most of the environments of our planet. Aphids, with over 4,000 species, have developed a series of adaptations including a high phenotypic plasticity and the ability to feed on the phloem-sap of plants, which is enriched in sugars derived from photosynthesis. Recent analyses of aphid genomes have indicated a high level of shared ancestral gene duplications that might represent a basis for genetic innovation and broad adaptations. In addition, there is a large number of recent, species-specific gene duplications whose role in adaptation remains poorly understood. Here, we tested whether duplicates specific to the pea aphid Acyrthosiphon pisum are related to genomic innovation by combining comparative genomics, transcriptomics, and chromatin accessibility analyses. Consistent with large levels of neofunctionalization, we found that most of the recent pairs of gene duplicates evolved asymmetrically, showing divergent patterns of positive selection and gene expression. Genes under selection involved a plethora of biological functions, suggesting that neofunctionalization and tissue specificity, among other evolutionary mechanisms, have orchestrated the evolution of recent paralogs in the pea aphid and may have facilitated host-symbiont cooperation. Our comprehensive phylogenomics analysis allowed to tackle the history of duplicated genes to pave the road towards understanding the role of gene duplication in ecological adaptation.

Background: Parasitoid wasps have fascinating life cycles and play an important role in trophic networks, yet little is known about their genome content and function. Parasitoids that infect aphids are an important group with the potential for biocontrol, and infecting aphids requires overcoming both aphid defenses and their defensive endosymbionts. Results: We present the de novo genome assemblies, detailed annotation, and comparative analysis of two closely related parasitoid wasps that target pest aphids: Aphidius ervi and Lysiphlebus fabarum (Hymenoptera: Braconidae: Aphidiinae). The genomes are small (139 and 141 Mbp), highly syntenic, and the most AT-rich reported thus far for any arthropod (GC content: 25.8% and 23.8%). This nucleotide bias is accompanied by skewed codon usage, and is stronger in genes with adult-biased expression. AT-richness may be the consequence of reduced genome size, a near absence of DNA methylation, and age-specific energy demands. We identify expansions of F-box/Leucine-rich-repeat proteins, suggesting that diversification in this gene family may be associated with their broad host range or with countering defenses from aphids' endosymbionts. The absence of some immune genes (Toll and Imd pathways) resembles similar losses in their aphid hosts, highlighting the potential impact of symbiosis on both aphids and their parasitoids. Conclusions: These findings are of fundamental interest for insect evolution and beyond. This will provide a strong foundation for further functional studies including coevolution with respect to their hosts, the basis of successful infection, and biocontrol. Both genomes are available at https://bipaa.genouest.org.