Abstract Sex-biased gene expression, particularly sex-biased expression in the gonad, has been linked to rates of protein sequence evolution (nonsynonymous to synonymous substitutions, dN/dS) in animals. However, in insects, sex-biased expression studies remain centered on a few holometabolous species, and moreover, other major tissue types such as the brain remain underexplored. Here, we studied sex-biased gene expression and protein evolution in a hemimetabolous insect, the cricket Gryllus bimaculatus . We generated novel male and female RNA-seq data for two sexual tissue types, the gonad and somatic reproductive system, and for two core components of the nervous system, the brain and ventral nerve cord. From a genome-wide analysis, we report several core findings. Firstly, testis-biased genes had accelerated evolution, as compared to ovary-biased and unbiased genes, which was associated with positive selection events. Secondly, while sex-biased brain genes were much less common than for the gonad, they exhibited a striking tendency for rapid protein evolution, an effect that was stronger for the female than male brain. Further, some sex-biased brain genes were linked to sexual functions and mating behaviors, which we suggest may have accelerated their evolution via sexual selection. Thirdly, a tendency for narrow cross-tissue expression breadth, suggesting low pleiotropy, was observed for sex-biased brain genes, suggesting relaxed purifying selection, which we speculate may allow enhanced freedom to evolve adaptive protein functional changes. The findings of rapid evolution of testis-biased genes and male and female-biased brain genes are discussed with respect to pleiotropy, positive selection, and the mating biology of this cricket.

Abstract Studies of traditional model organisms like the fruit fly Drosophila melanogaster have contributed immensely to our understanding of the genetic basis of developmental processes. However, the generalizability of these findings cannot be confirmed without functional genetic analyses in additional organisms. Direct genome editing using targeted nucleases has the potential to transform hitherto poorly-understood organisms into viable laboratory organisms for functional genetic study. To this end, here we present a method to induce targeted genome knock-out and knock-in of desired sequences in an insect that serves as an informative contrast to Drosophila , the cricket Gryllus bimaculatus . The efficiency of germ line transmission of induced mutations is comparable to that reported for other well-studied laboratory organisms, and knock-ins targeting introns yield viable, fertile animals in which knock-in events are directly detectable by visualization of a fluorescent marker in the expression pattern of the targeted gene. Combined with the recently assembled and annotated genome of this cricket, this knock-in/knock-out method increases the viability of G. bimaculatus as a tractable system for functional genetics in a basally branching insect.

Synonymous codon use is non-random. Codons most used in highly transcribed genes, often called optimal codons, typically have high gene counts of matching tRNA genes (tRNA abundance) and promote accurate and/or efficient translation. Non-optimal codons, those least used in highly expressed genes, may also affect translation. In multicellular organisms, codon optimality may vary among tissues. At present however, codon use remains poorly understood in multicellular organisms. Here, we studied codon usage of genes highly transcribed in germ line (testis, ovary) and somatic tissues (gonadectomized males and females) of the beetle Tribolium castaneum . The results demonstrate that: 1) the majority of optimal codons were organism-wide, the same in all tissues, and had numerous matching tRNA gene copies (Opt-codon↑tRNAs), consistent with translational selection; 2) some optimal codons varied among tissues, suggesting tissue-specific tRNA populations; 3) wobble tRNA were required for translation of certain optimal codons (Opt-codonwobble), possibly allowing precise translation and/or protein folding; and 4) remarkably, some non-optimal codons had abundant tRNA genes (Nonopt-codon↑tRNAs), and genes using those codons were tightly linked to ribosomal and stress-response functions. Thus, Nonopt-codon↑tRNAs codons may regulate translation of specific genes. Together, the evidence suggests that codon use and tRNA genes regulate multiple translational processes in T. castaneum .

Abstract Background For multicellular organisms, much remains unknown about the dynamics of synonymous codon and amino acid use in highly expressed genes, including whether their use varies with expression in different tissue types and sexes. Moreover, specific codons and amino acids may have translational functions in highly transcribed genes, that largely depend on their relationships to tRNA gene copies in the genome. However, these relationships and putative functions are poorly understood, particularly in multicellular systems. Results Here, we rigorously studied codon and amino acid use in highly expressed genes from reproductive and nervous system tissues (male and female gonad, somatic reproductive system, brain, ventral nerve cord, and male accessory glands) in the cricket Gryllus bimaculatus . We report an optimal codon, defined as the codon preferentially used in highly expressed genes, for each of the 18 amino acids with synonymous codons in this organism. The optimal codons were largely shaped by selection, and their identities were mostly shared among tissue types and both sexes. However, the frequency of optimal codons was highest in gonadal genes. Concordant with translational selection, a majority of the optimal codons had abundant matching tRNA gene copies in the genome, but sometimes obligately required wobble tRNAs. We suggest the latter may comprise a mechanism for slowing translation of abundant transcripts, particularly for cell-cycle genes. Non-optimal codons, defined as those least commonly used in highly transcribed genes, intriguingly often had abundant tRNAs, and had elevated use in a subset of genes with specialized functions (gametic and apoptosis genes), suggesting their use promotes the upregulation of particular mRNAs. In terms of amino acids, we found evidence suggesting that amino acid frequency, tRNA gene copy number, and amino acid biosynthetic costs (size/complexity) had all interdependently evolved in this insect model, potentially for translational optimization. Conclusions Collectively, the results strongly suggest that codon use in highly expressed genes, including optimal, wobble, and non-optimal codons, and their tRNAs abundances, as well as amino acid use, have been adapted for various functional roles in translation within this cricket. The effects of expression in different tissue types and the two sexes are discussed.

Ovaries play key roles in fitness and evolution: they are essential female reproductive structures that develop and house the eggs in sexually reproducing animals. In Drosophila, the mature ovary contains multiple tubular egg-producing structures known as ovarioles. Ovarioles arise from somatic cellular structures in the larval ovary called terminal filaments (TFs), formed by TF cells and subsequently enclosed by sheath (SH) cells. As in many other insects, ovariole number per female varies extensively in Drosophila. At present, however, there is a striking gap of information on genetic mechanisms and evolutionary forces that shape the well-documented rapid interspecies divergence of ovariole numbers. To address this gap, here we studied genes associated with Drosophila melanogaster ovariole number or functions based on recent experimental and transcriptional datasets from larval ovaries, including TFs and SH cells, and assessed their rates and patterns of molecular evolution in five closely related species of the melanogaster subgroup that exhibit species-specific differences in ovariole numbers. From comprehensive analyses of protein sequence evolution (dN/dS), branch-site positive selection, expression specificity (tau), and phylogenetic regressions (phylogenetic generalized least squares), we report evidence of 42 genes that showed signs of playing roles in the genetic basis of interspecies evolutionary change of Drosophila ovariole number. These included the signaling genes upd2 and Ilp5 and extracellular matrix genes vkg and Col4a1, whose dN/dS predicted ovariole numbers among species. Together, we propose a model whereby a set of ovariole-involved gene proteins have an enhanced evolvability, including adaptive evolution, facilitating rapid shifts in ovariole number among Drosophila species.

Background: The faster-X effect, namely the rapid evolution of protein-coding genes on the X-chromosome, has been reported in numerous metazoans. However, the prevalence of this phenomenon across metazoans and its potential causes remain largely unresolved. Analysis of sex-biased genes may elucidate its possible mechanisms: a more pronounced faster-X effect in male-biased genes than in female-biased or unbiased genes, suggests fixation of recessive beneficial mutations rather than genetic drift. Further, theory predicts that the faster-X effect should be promoted by X-chromosome dosage compensation, but this topic remains rarely empirically examined. Results: Here, we asked whether we could detect a faster-X effect in genes of the beetle Tribolium castaneum (and T. freemani orthologs), which has X/Y sex-determination and heterogametic males. Our comparison of protein sequence divergence (dN/dS) on the X-chromosome versus autosomes indicated the complete absence of a faster-X effect. Further, analyses of sex-biased gene expression revealed that the X-chromosome was strongly enriched for ovary-biased genes, which evolved under exceptionally high constraint. An evaluation of male X-chromosome dosage compensation in the gonads and in non-gonadal somatic tissues showed an extreme lack of compensation in the testis. This under-expression of the X chromosome in males may limit the phenotypic effect, and therefore likelihood of fixation, of recessive beneficial X-linked mutations in genes transcribed in male gonads. Conclusions: We show that these beetles display a rare unequivocal example of the absence of a faster-X effect in a metazoan. We propose two potential causes for this, namely high constraint on X-linked ovary-biased genes, and an extreme lack of dosage compensation of genes transcribed in the testis.

Abstract Ovaries play key roles in fitness and evolution: they are essential female reproductive structures that develop and house the eggs in sexually reproducing animals. In Drosophila , the mature ovary contains multiple tubular egg-producing structures known as ovarioles. Ovarioles arise from somatic cellular structures in the larval ovary called terminal filaments, formed by terminal filament cells and subsequently enclosed by sheath cells. As in many other insects, ovariole number per female varies extensively in Drosophila . At present however, there is a striking gap of information on genetic mechanisms and evolutionary forces that shape the well-documented rapid interspecies divergence of ovariole numbers. To address this gap, here we studied genes associated with D. melanogaster ovariole number or functions based on recent experimental and transcriptional datasets from larval ovaries, including terminal filaments and sheath cells, and rigorously assessed their rates and patterns of molecular evolution in five closely related species of the melanogaster subgroup that exhibit species-specific differences in ovariole numbers and have annotated genomes. From comprehensive analyses of protein sequence evolution (dN/dS), branch-site positive selection, expression specificity ( tau ) and phylogenetic regressions (PGLS), we report evidence of 42 genes that showed signs of playing roles in the genetic basis of interspecies evolutionary change of Drosophila ovariole number. These included signalling genes upd2 and Ilp5 and extracellular matrix genes vkg and Col4a1 . Together, we propose a model whereby a set of ovariole-involved gene proteins have an enhanced evolvability, including adaptive evolution, facilitating rapid shifts in ovariole number among Drosophila species.