The shift from solitary to social behavior is one of the major evolutionary transitions. Primitively eusocial bumblebees are uniquely placed to illuminate the evolution of highly eusocial insect societies. Bumblebees are also invaluable natural and agricultural pollinators, and there is widespread concern over recent population declines in some species. High-quality genomic data will inform key aspects of bumblebee biology, including susceptibility to implicated population viability threats.We report the high quality draft genome sequences of Bombus terrestris and Bombus impatiens, two ecologically dominant bumblebees and widely utilized study species. Comparing these new genomes to those of the highly eusocial honeybee Apis mellifera and other Hymenoptera, we identify deeply conserved similarities, as well as novelties key to the biology of these organisms. Some honeybee genome features thought to underpin advanced eusociality are also present in bumblebees, indicating an earlier evolution in the bee lineage. Xenobiotic detoxification and immune genes are similarly depauperate in bumblebees and honeybees, and multiple categories of genes linked to social organization, including development and behavior, show high conservation. Key differences identified include a bias in bumblebee chemoreception towards gustation from olfaction, and striking differences in microRNAs, potentially responsible for gene regulation underlying social and other traits.These two bumblebee genomes provide a foundation for post-genomic research on these key pollinators and insect societies. Overall, gene repertoires suggest that the route to advanced eusociality in bees was mediated by many small changes in many genes and processes, and not by notable expansion or depauperation.

Differences in the timing of exoskeleton melanization and sclerotization are evident when comparing eusocial and solitary bees. This cuticular maturation heterochrony may be associated with life style, considering that eusocial bees remain protected inside the nest for many days after emergence, while the solitary bees immediately start outside activities. To address this issue, we characterized gene expression using large-scale RNA sequencing (RNA-seq), and quantified cuticular hydrocarbon (CHC) through gas chromatography-mass spectrometry in comparative studies of the integument (cuticle plus its underlying epidermis) of two eusocial and a solitary bee species. In addition, we used transmission electron microscopy (TEM) for studying the developing cuticle of these and other three bee species also differing in life style. We found 13,200, 55,209 and 30,161 transcript types in the integument of the eusocial Apis mellifera and Frieseomelitta varia, and the solitary Centris analis, respectively. In general, structural cuticle proteins and chitin-related genes were upregulated in pharate-adults and newly-emerged bees whereas transcripts for odorant binding proteins, cytochrome P450 and antioxidant proteins were overrepresented in foragers. Consistent with our hypothesis, a distance correlation analysis based on the differentially expressed genes suggested delayed cuticle maturation in A. mellifera in comparison to the solitary bee. However, this was not confirmed in the comparison with F. varia. The expression profiles of 27 of 119 genes displaying functional attributes related to cuticle formation/differentiation were positively correlated between A. mellifera and F. varia, and negatively or non-correlated with C. analis, suggesting roles in cuticular maturation heterochrony. However, we also found transcript profiles positively correlated between each one of the eusocial species and C. analis. Gene co-expression networks greatly differed between the bee species, but we identified common gene interactions exclusively between the eusocial species. Except for F. varia, the TEM analysis is consistent with cuticle development timing adapted to the social or solitary life style. In support to our hypothesis, the absolute quantities of n-alkanes and unsaturated CHCs were significantly higher in foragers than in the earlier developmental phases of the eusocial bees, but did not discriminate newly-emerged from foragers in C. analis. By highlighting differences in integument gene expression, cuticle ultrastructure, and CHC profiles between eusocial and solitary bees, our data provided insights into the process of heterochronic cuticle maturation associated to the way of life.