Although eusociality evolved independently within several orders of insects, research into the molecular underpinnings of the transition towards social complexity has been confined primarily to Hymenoptera (for example, ants and bees). Here we sequence the genome and stage-specific transcriptomes of the dampwood termite Zootermopsis nevadensis (Blattodea) and compare them with similar data for eusocial Hymenoptera, to better identify commonalities and differences in achieving this significant transition. We show an expansion of genes related to male fertility, with upregulated gene expression in male reproductive individuals reflecting the profound differences in mating biology relative to the Hymenoptera. For several chemoreceptor families, we show divergent numbers of genes, which may correspond to the more claustral lifestyle of these termites. We also show similarities in the number and expression of genes related to caste determination mechanisms. Finally, patterns of DNA methylation and alternative splicing support a hypothesized epigenetic regulation of caste differentiation. Although termites are major human pests, they have an important role in maintaining ecosystem function and biodiversity. Here, the authors sequence the genome and transcriptomes of a dampwood termite and highlight genes that may be involved in the mechanisms underlying insect social behaviour.

Abstract Around 150 million years ago, eusocial termites evolved from within the cockroaches, 50 million years before eusocial Hymenoptera, such as bees and ants, appeared. Here, we report the 2-Gb genome of the German cockroach, Blattella germanica , and the 1.3-Gb genome of the drywood termite Cryptotermes secundus . We show evolutionary signatures of termite eusociality by comparing the genomes and transcriptomes of three termites and the cockroach against the background of 16 other eusocial and non-eusocial insects. Dramatic adaptive changes in genes underlying the production and perception of pheromones confirm the importance of chemical communication in the termites. These are accompanied by major changes in gene regulation and the molecular evolution of caste determination. Many of these results parallel molecular mechanisms of eusocial evolution in Hymenoptera. However, the specific solutions are remarkably different, thus revealing a striking case of convergence in one of the major evolutionary transitions in biological complexity.

Genome sequencing quality, in terms of both read length and accuracy, is constantly improving. By combining long-read sequencing technologies with various scaffolding techniques, chromosome-level genome assemblies are now achievable at an affordable price for non-model organisms. Insects represent an exciting taxon for studying the genomic underpinnings of evolutionary innovations, due to ancient origins, immense species-richness, and broad phenotypic diversity. Here we summarize some of the most important methods for carrying out a comparative genomics study on insects. We describe available tools and offer concrete tips on all stages of such an endeavor from DNA extraction through genome sequencing, annotation, and several evolutionary analyses. Along the way we describe important insect-specific aspects, such as DNA extraction difficulties or gene families that are particularly difficult to annotate, and offer solutions. We describe results from several examples of comparative genomics analyses on insects to illustrate the fascinating questions that can now be addressed in this new age of genomics research.

Termites, together with cockroaches, belong to the Blattodea. They possess an XX/XY sex determination system which has evolved from an XX/X0 system present in other Blattodean species such as cockroaches and wood roaches. Little is currently known about the sex chromosomes of termites, their gene content, or their evolution. We here investigate the X chromosome of multiple termite species and compare them to the X chromosome of cockroaches using genomic and transcriptomic data. We find that the X chromosome of the termite Macrotermes natalensis is large and differentiated showing hall marks of sex chromosome evolution such as dosage compensation, while this does not seem to be the case in the other two termite species investigated here where sex chromosomes may be evolutionary younger. Furthermore, the X chromosome in M. natalensis is different from the X chromosome found in the cockroach Blattella germanica indicating that sex chromosome turn-over events may have happened during termite evolution.

Termites, together with cockroaches, belong to the Blattodea. They possess an XX/XY sex determination system which has evolved from an XX/X0 system present in other Blattodean species such as cockroaches and wood roaches. Little is currently known about the sex chromosomes of termites, their gene content, or their evolution. We here investigate the X chromosome of multiple termite species and compare them to the X chromosome of cockroaches using genomic and transcriptomic data. We find that the X chromosome of the termite Macrotermes natalensis is large and differentiated showing hall marks of sex chromosome evolution such as dosage compensation, while this does not seem to be the case in the other two termite species investigated here where sex chromosomes are probably evolutionary young. Furthermore, that X chromosome in M. natalensis is different from the X chromosome found in the cockroach Blattella germanica indicating at least one, potentially multiple, sex chromosome turn-over events during termite evolution.

Around 150 million years ago, eusocial termites evolved from within the cockroaches, 50 million years before eusocial Hymenoptera, such as bees and ants, appeared. Here, we report the first, 2GB genome of a cockroach, Blattella germanica, and the 1.3GB genome of the drywood termite, Cryptotermes secundus. We show evolutionary signatures of termite eusociality by comparing the genomes and transcriptomes of three termites and the cockroach against the background of 16 other eusocial and non-eusocial insects. Dramatic adaptive changes in genes underlying the production and perception of pheromones confirm the importance of chemical communication in the termites. These are accompanied by major changes in gene regulation and the molecular evolution of caste determination. Many of these results parallel molecular mechanisms of eusocial evolution in Hymenoptera. However, the specific solutions are remarkably different, thus revealing a striking case of convergence in one of the major evolutionary transitions in biological complexity.

Abstract Eurasian brine shrimp (genus Artemia ) have closely related sexual and asexual lineages of parthenogenetic females, which produce rare males at low frequencies. Although they are known to have ZW chromosomes, these are not well characterized, and it is unclear whether they are shared across the clade. Furthermore, the underlying genetic architecture of the transmission of asexuality, which can occur when rare males mate with closely related sexual females, is not well understood. We produced a chromosome-level assembly for the Eurasian species A. sinica and characterized in detail the pair of sex chromosomes of this species. We combined this with short-read genomic data for the sexual species A. sp. Kazakhstan and several lineages of A. parthenogenetica, allowing us to perform a first in-depth characterization of sex-chromosome evolution across the genus. We identified a small differentiated region of the ZW pair that is shared by all sexual and asexual lineages, supporting the shared ancestry of the sex chromosomes. We also inferred that recombination suppression has spread to larger sections of the chromosome independently in the American and Eurasian lineages. Finally, we took advantage of a rare male, which we backcrossed to sexual females, to explore the genetic basis of asexuality. Our results suggest that parthenogenesis may be partly controlled by a locus on the Z chromosome, highlighting the interplay between sex determination and asexuality.