Path integration is a widespread navigational strategy in which directional changes and distance covered are continuously integrated on an outward journey, enabling a straight-line return to home. Bees use vision for this task-a celestial-cue-based visual compass and an optic-flow-based visual odometer-but the underlying neural integration mechanisms are unknown. Using intracellular electrophysiology, we show that polarized-light-based compass neurons and optic-flow-based speed-encoding neurons converge in the central complex of the bee brain, and through block-face electron microscopy, we identify potential integrator cells. Based on plausible output targets for these cells, we propose a complete circuit for path integration and steering in the central complex, with anatomically identified neurons suggested for each processing step. The resulting model circuit is thus fully constrained biologically and provides a functional interpretation for many previously unexplained architectural features of the central complex. Moreover, we show that the receptive fields of the newly discovered speed neurons can support path integration for the holonomic motion (i.e., a ground velocity that is not precisely aligned with body orientation) typical of bee flight, a feature not captured in any previously proposed model of path integration. In a broader context, the model circuit presented provides a general mechanism for producing steering signals by comparing current and desired headings-suggesting a more basic function for central complex connectivity, from which path integration may have evolved.

Abstract Sweat bees have repeatedly gained and lost eusociality, a transition from individual to group reproduction. Here, we generate chromosome-length genome assemblies for 17 species and identify genomic signatures of evolutionary trade-offs associated with transitions between social and solitary living. Both young genes and regulatory regions show enrichment for these molecular patterns. We also identify loci that show evidence of complementary signals of positive and relaxed selection linked specifically to the convergent gains and losses of eusociality in sweat bees. This includes two proteins that bind and transport juvenile hormone (JH) – a key regulator of insect development and reproduction. We find one of these JH binding proteins is primarily expressed in subperineurial glial cells that form the insect blood-brain barrier and that brain levels of JH vary by sociality. Our findings are consistent with a role of JH in modulating social behavior and suggest eusocial evolution was facilitated by alteration of the proteins that bind and transport JH, revealing how an ancestral, developmental hormone may have been co-opted during one of life’s major transitions. More broadly, our results highlight how trade-offs have structured the molecular basis of eusociality in these bees and demonstrate how both directional selection and release from constraint can shape trait evolution.

Abstract Spatial orientation is a prerequisite for most behaviors. In insects, the underlying neural computations take place in the central complex (CX), the brain’s navigational center. In this region different streams of sensory information converge to enable context-dependent navigational decisions. Accordingly, a variety of CX input neurons deliver information about different navigation-relevant cues. In bees, direction encoding polarized light signals converge with translational optic flow signals that are suited to encode the flight speed of the animals. The continuous integration of speed and directions in the CX can be used to generate a vector memory of the bee’s current position in space in relation to its nest, i.e. perform path integration. This process depends on specific, complex features of the optic flow encoding CX input neurons, but it is unknown how this information is derived from the visual periphery. Here, we thus aimed at gaining insight into how simple motion signals are reshaped upstream of the speed encoding CX input neurons to generate their complex features. Using electrophysiology and anatomical analyses of the halictic bees Megalopta genalis and Megalopta centralis , we identified a wide range of motion-sensitive neurons connecting the optic lobes with the central brain. While most neurons formed pathways with characteristics incompatible with CX speed neurons, we showed that one group of lobula projection neurons possess some physiological and anatomical features required to generate the visual responses of CX optic-flow encoding neurons. However, as these neurons cannot explain all features of CX speed cells, local interneurons of the central brain or alternative input cells from the optic lobe are additionally required to construct inputs with sufficient complexity to deliver speed signals suited for path integration in bees.

Alkali bees (Nomia melanderi) are solitary relatives of the halictine bees, which have become an important model for the evolution of social behavior, but for which few solitary comparisons exist. These ground-nesting bees defend their developing offspring against pathogens and predators, and thus exhibit some of the key traits that preceded insect sociality. Alkali bees are also efficient native pollinators of alfalfa seed, which is a crop of major economic value in the United States. We sequenced, assembled, and annotated a high-quality draft genome of 299.6 Mbp for this species. Repetitive content makes up more than one-third of this genome, and previously uncharacterized transposable elements are the most abundant type of repetitive DNA. We predicted 10,847 protein coding genes, and identify 479 of these undergoing positive directional selection with the use of population genetic analysis based on low-coverage whole genome sequencing of 19 individuals. We found evidence of recent population bottlenecks, but no significant evidence of population structure. We also identify 45 genes enriched for protein translation and folding, transcriptional regulation, and triglyceride metabolism evolving slower in alkali bees compared to other halictid bees. These resources will be useful for future studies of bee comparative genomics and pollinator health research.

Since all forms of mimicry are based on perceptual deception, the sensory ecology of the intended receiver is of paramount importance to test the necessary precondition for mimicry to occur, i.e. model-mimic misidentification, and to gain insight in the origin and evolutionary trajectory of the signals. Here we test the potential for aggressive mimicry by a group of coral reef fishes, the color polymorphic Hypoplectrus hamlets, from the point of view of their most common prey, small epibenthic gobies and mysid shrimp. We build visual models based on the visual pigments and spatial resolution of the prey, the underwater light spectrum and color reflectances of putative models and their hamlet mimics. Our results are consistent with one mimic-model relationship between the butter hamlet H. unicolor and its model the butterflyfish Chaetodon capistratus but do not support a second proposed mimic-model pair between the black hamlet H. nigricans and the dusky damselfish Stegastes adustus. We discuss our results in the context of color morphs divergence in the Hypoplectrus species radiation and suggest that aggressive mimicry in H. unicolor might have originated in the context of protective (Batesian) mimicry by the hamlet from its fish predators.