The spider mite Tetranychus urticae is a cosmopolitan agricultural pest with an extensive host plant range and an extreme record of pesticide resistance. Here we present the completely sequenced and annotated spider mite genome, representing the first complete chelicerate genome. At 90 megabases T. urticae has the smallest sequenced arthropod genome. Compared with other arthropods, the spider mite genome shows unique changes in the hormonal environment and organization of the Hox complex, and also reveals evolutionary innovation of silk production. We find strong signatures of polyphagy and detoxification in gene families associated with feeding on different hosts and in new gene families acquired by lateral gene transfer. Deep transcriptome analysis of mites feeding on different plants shows how this pest responds to a changing host environment. The T. urticae genome thus offers new insights into arthropod evolution and plant–herbivore interactions, and provides unique opportunities for developing novel plant protection strategies. The genome of the spider mite Tetranychus urticae is sequenced, providing insights into its polyphagous feeding, silk production, hormonal repertoire and reduced Hox cluster. The spider mite (Tetranychus urticae) is a common agricultural pest that feeds on a wide range of hosts — including maize (corn), soya, tomatoes and peppers — and is notoriously resistant to pesticides. Its genome has now been sequenced and analysed, providing insights into its hormonal repertoire and the evolution of silk production. Transcriptome analysis of mites feeding on different plants reveals how this pest defends itself in a changing host environment and gives pointers to possible non-pesticide plant-protection strategies. The genome encodes 17 fibroin genes, and physical tests of spider-mite silk show it to be a natural nanomaterial with fibres that are more than 100 times thinner than those produced by silk spiders.

Plants produce a wide range of allelochemicals to defend against herbivore attack, and generalist herbivores have evolved mechanisms to avoid, sequester, or detoxify a broad spectrum of natural defense compounds. Successful arthropod pests have also developed resistance to diverse classes of pesticides and this adaptation is of critical importance to agriculture. To test whether mechanisms to overcome plant defenses predispose the development of pesticide resistance, we examined adaptation of the generalist two-spotted spider mite, Tetranychus urticae , to host plant transfer and pesticides. T. urticae is an extreme polyphagous pest with more than 1,100 documented hosts and has an extraordinary ability to develop pesticide resistance. When mites from a pesticide-susceptible strain propagated on bean were adapted to a challenging host (tomato), transcriptional responses increased over time with ∼7.5% of genes differentially expressed after five generations. Whereas many genes with altered expression belonged to known detoxification families (like P450 monooxygenases), new gene families not previously associated with detoxification in other herbivores showed a striking response, including ring-splitting dioxygenase genes acquired by horizontal gene transfer. Strikingly, transcriptional profiles of tomato-adapted mites resembled those of multipesticide-resistant strains, and adaptation to tomato decreased the susceptibility to unrelated pesticide classes. Our findings suggest key roles for both an expanded environmental response gene repertoire and transcriptional regulation in the life history of generalist herbivores. They also support a model whereby selection for the ability to mount a broad response to the diverse defense chemistry of plants predisposes the evolution of pesticide resistance in generalists.

Because of its importance to the arthropod exoskeleton, chitin biogenesis is an attractive target for pest control. This point is demonstrated by the economically important benzoylurea compounds that are in wide use as highly specific agents to control insect populations. Nevertheless, the target sites of compounds that inhibit chitin biogenesis have remained elusive, likely preventing the full exploitation of the underlying mode of action in pest management. Here, we show that the acaricide etoxazole inhibits chitin biogenesis in Tetranychus urticae (the two-spotted spider mite), an economically important pest. We then developed a population-level bulk segregant mapping method, based on high-throughput genome sequencing, to identify a locus for monogenic, recessive resistance to etoxazole in a field-collected population. As supported by additional genetic studies, including sequencing across multiple resistant strains and genetic complementation tests, we associated a nonsynonymous mutation in the major T. urticae chitin synthase ( CHS1 ) with resistance. The change is in a C-terminal transmembrane domain of CHS1 in a highly conserved region that may serve a noncatalytic but essential function. Our finding of a target-site resistance mutation in CHS1 shows that at least one highly specific chitin biosynthesis inhibitor acts directly to inhibit chitin synthase. Our work also raises the possibility that other chitin biogenesis inhibitors, such as the benzoylurea compounds, may also act by inhibition of chitin synthases. More generally, our genetic mapping approach should be powerful for high-resolution mapping of simple traits (resistance or otherwise) in arthropods.

Abstract The Roman Empire expanded through the Mediterranean shores and brought human mobility and cosmopolitanism across this inland sea to an unprecedented scale. However, if this was also common at the Empire frontiers remains undetermined. The Balkans and Danube River were of strategic importance for the Romans acting as an East-West connection and as a defense line against “barbarian” tribes. We generated genome-wide data from 70 ancient individuals from present-day Serbia dated to the first millennium CE; including Viminacium, capital of Moesia Superior province. Our analyses reveal large scale-movements from Anatolia during Imperial rule, similar to the pattern observed in Rome, and cases of individual mobility from as far as East Africa. Between ∼250-500 CE, we detect gene-flow from Central/Northern Europe harboring admixtures of Iron Age steppe groups. Tenth-century CE individuals harbored North-Eastern European-related ancestry likely associated to Slavic-speakers, which contributed >20% of the ancestry of today’s Balkan people.

ABSTRACT Arabidopsis defenses against herbivores are regulated by the jasmonate hormonal signaling pathway, which leads to the production of a plethora of defense compounds, including tryptophan-derived metabolites produced through CYP79B2/CYP79B3. Jasmonate signaling and CYP79B2/CYP79B3 limit Arabidopsis infestation by the generalist herbivore two-spotted spider mite, Tetranychus urticae . However, the phytochemicals responsible for Arabidopsis protection against T. urticae are unknown. Here, using Arabidopsis mutants that disrupt metabolic pathways downstream of CYP79B2/CYP79B3, and synthetic indole glucosinolates, we identified phytochemicals involved in the defense against T. urticae . We show that Trp-derived metabolites depending on CYP71A12 and CYP71A13 are not affecting mite herbivory. Instead, the supplementation of cyp79b2 cyp79b3 mutant leaves with the 3-indolylmethyl glucosinolate and its derived metabolites demonstrated that the indole glucosinolate pathway is sufficient to assure CYP79B2/CYP79B3-mediated defenses against T. urticae . We demonstrate that three indole glucosinolates can limit T. urticae herbivory, but that they have to be processed by the myrosinases to hinder T. urticae oviposition. Finally, the supplementation of the mutant myc2 myc3 myc4 with indole glucosinolates indicated that the transcription factors MYC2/MYC3/MYC4 induce additional indole glucosinolate-independent defenses that control T. urticae herbivory. Together, these results reveal the complexity of Arabidopsis defenses against T. urticae that rely on multiple indole glucosinolates, specific myrosinases, and additional MYC2/MYC3/MYC4-dependent defenses. One sentence summary Three indole glucosinolates and the myrosinases TGG1/TGG2 help protect Arabidopsis thaliana against the herbivory of the two-spotted spider mite Tetranychus urticae .

Abstract Comprehensive understanding of pleiotropic roles of RNAi machinery highlighted the conserved chromosomal functions of RNA interference. The consequences of the evolutionary variation in the core RNAi pathway genes are mostly unknown, but may lead to the species-specific functions associated with gene silencing. The two-spotted spider mite, Tetranychus urticae , is a major polyphagous chelicerate pest capable of feeding on over 1,100 plant species and developing resistance to pesticides used for its control. A well annotated genome, susceptibility to RNAi and economic importance, make T. urticae an excellent candidate for development of an RNAi protocol that enables high-throughput genetic screens and RNAi-based pest control. Here, we show that the length of the exogenous dsRNA critically determines its processivity and ability to induce RNAi in vivo . A combination of the long dsRNAs and the use of dye to trace the ingestion of dsRNA enabled the identification of genes involved in membrane transport and 26S proteasome degradation as sensitive RNAi targets. Our data demonstrate that environmental RNAi can be an efficient reverse genetics and pest control tool in T. urticae . In addition, the species-specific properties together with the variation in the components of the RNAi machinery make T. urticae a potent experimental system to study the evolution of RNAi pathways.

Abstract Genetic adaptation, occurring over a long evolutionary time, enables host-specialized herbivores to develop novel resistance traits and to efficiently counteract the defenses of a narrow range of host plants. In contrast, physiological acclimation, leading to the suppression and/or detoxification of host defenses is hypothesized to enable broad-generalists to shift between plant hosts. However, the host adaptation mechanisms used by generalists composed of host-adapted populations are not known. Tetranychus urticae is an extreme generalist herbivore whose individual populations perform well only on a subset of potential hosts. We combined experimental evolution, Arabidopsis genetics, mite reverse genetics, and pharmacological approaches to examine mite host adaptation upon the shift of a bean-adapted population to Arabidopsis thaliana . We showed that cytochrome P450 monooxygenases are required for mite adaptation to Arabidopsis . We identified activities of two tiers of P450s: general xenobiotic-responsive P450s that have a limited contribution to mite adaptation to Arabidopsis and adaptation-associated P450s that efficiently counteract Arabidopsis defenses. In ≈25 generations of mite selection on Arabidopsis plants, mites evolved highly efficient detoxification-based adaptation, characteristic of specialist herbivores. This demonstrates that specialization to plant resistance traits can occur within the ecological timescale, enabling the two-spotted spider mite to shift to novel plant hosts.

Serbia preserves a high number of local grape varieties, which have been cultivated across the country for centuries. Now, these ancient varieties are in the spotlight, and there is a global trend towards their recovery and characterization because they can revitalize regional, national and international grape and wine sectors. In addition, their genetic study can be useful to find new pedigree relationships to reveal how local varietal assortment evolved over time. Here, the genetic characterization of 138 grapevines from old Serbian vineyards revealed 59 different genetic profiles, 49 of which were identified as grapevine varieties whose origin in the country could be linked to some major Serbian historical periods. Most of the genetic profiles found in this work arranged in a complex pedigree network that integrates numerous grapevine varieties from diverse Balkan countries, agreeing with an intense exchange of plant material among Balkan regions for centuries. This analysis identified some varieties as important founders of Balkan genetic resources, like ‘Alba Imputotato’, ‘Braghina Rosie’, ‘Coarna Alba’, and ‘Vulpea’. After deepening into their genealogy, these major direct founders might have ultimately derived from ‘Visparola’, an ancient variety of likely Balkan origin with a major founding role in some European regions. Our results also indicated the genetic singularity of the grapevine resources from the Balkans when compared to those from other relevant winemaking regions, supporting the interest of their detailed study to evaluate their oenological potential and for the eventual identification of useful traits to counteract current viticulture challenges.