Like most organisms, plants have endogenous biological clocks that coordinate internal events with the external environment. We used high-density oligonucleotide microarrays to examine gene expression in Arabidopsis and found that 6% of the more than 8000 genes on the array exhibited circadian changes in steady-state messenger RNA levels. Clusters of circadian-regulated genes were found in pathways involved in plant responses to light and other key metabolic pathways. Computational analysis of cycling genes allowed the identification of a highly conserved promoter motif that we found to be required for circadian control of gene expression. Our study presents a comprehensive view of the temporal compartmentalization of physiological pathways by the circadian clock in a eukaryote.

Abstract We performed large-scale mRNA expression profiling using an Affymetrix GeneChip to study Arabidopsis responses to the bacterial pathogen Pseudomonas syringae. The interactions were compatible (virulent bacteria) or incompatible (avirulent bacteria), including a nonhost interaction and interactions mediated by two different avirulence gene–resistance (R) gene combinations. Approximately 2000 of the ∼8000 genes monitored showed reproducible significant expression level changes in at least one of the interactions. Analysis of biological variation suggested that the system behavior of the plant response in an incompatible interaction was robust but that of a compatible interaction was not. A large part of the difference between incompatible and compatible interactions can be explained quantitatively. Despite high similarity between responses mediated by the R genes RPS2 and RPM1 in wild-type plants, RPS2-mediated responses were strongly suppressed by the ndr1 mutation and the NahG transgene, whereas RPM1-mediated responses were not. This finding is consistent with the resistance phenotypes of these plants. We propose a simple quantitative model with a saturating response curve that approximates the overall behavior of this plant-pathogen system.

Abstract The broad-spectrum rice blast resistance gene Pi9 was cloned using a map-based cloning strategy. Sequencing of a 76-kb bacterial artificial chromosome (BAC) contig spanning the Pi9 locus led to identification of six tandemly arranged resistance-like genes with a nucleotide-binding site (NBS) and leucine-rich repeats (LRRs) (Nbs1-Pi9–Nbs6-Pi9). Analysis of selected Pi9 deletion mutants and transformation of a 45-kb fragment from the BAC contig into the susceptible rice cultivar TP309 narrowed down Pi9 to the candidate genes Nbs2-Pi9 and Nbs3-Pi9. Disease evaluation of the transgenic lines carrying the individual candidate genes confirmed that Nbs2-Pi9 is the Pi9 gene. Sequence comparison analysis revealed that the six paralogs at the Pi9 locus belong to four classes and gene duplication might be one of the major evolutionary forces contributing to the formation of the NBS–LRR gene cluster. Semiquantitative reverse transcriptase (RT)–PCR analysis showed that Pi9 was constitutively expressed in the Pi9-resistant plants and was not induced by blast infection. The cloned Pi9 gene provides a starting point to elucidate the molecular basis of the broad-spectrum disease resistance and the evolutionary mechanisms of blast resistance gene clusters in rice.

Abstract Behavioral specialization is key to the success of social insects and often compartmentalized among colony members leading to division of labor. Response thresholds to task-specific stimuli proximally regulate behavioral specialization but their neurobiological regulation is not understood. Here, we show that response thresholds to task-relevant stimuli correspond to the specialization of three behavioral phenotypes of honeybee workers. Quantitative neuropeptidome comparisons suggest two tachykinin-related peptides (TRP2 and TRP3) as candidates for the modification of these response thresholds. Based on our characterization of their receptor binding and downstream signaling, we then confirm the functional role of tachykinins: TRP2 injection and RNAi cause consistent, opposite effects on responsiveness to task-specific stimuli of each behaviorally specialized phenotype but not to stimuli that are unrelated to their tasks. Thus, our study demonstrates that TRP-signaling regulates the degree of task-specific responsiveness of specialized honeybee workers and may control the context-specificity of behavior in animals more generally.

Abstract Egg size plasticity represents an adaptive reproductive strategy in numerous organisms, including the honey bee, Apis mellifera . However, the proximate causation of this plasticity and egg size in general is unknown. We show that honey bee queens predictably and reversibly adjust egg size in response to their colony size and that this plasticity is an active response to the queens’ perception of colony size instead of a consequence of egg laying rate. The egg size increase involves changes of 290 ovarian proteins, mostly related to increased energy metabolism, protein transport, and cytoskeleton functions. Spatio-temporal expression analysis of the small GTPase Rho1 indicates its central role in egg size regulation, which we confirm by RNAi-mediated gene knock-down and expression analyses. The molecular adjustments that promote maternal investment of honey bee queens in response to their social environment thus reveal a novel mechanism of egg size regulation.

The threat of neonicotinoids to insect pollinators, particularly honeybees (Apis mellifera), is a global concern, but the risk of chiral neonicotinoids to insect larvae remains poorly understood. In the current study, we evaluated the acute and chronic toxicity of dinotefuran enantiomers to honeybee larvae in vitro and explored the mechanism of toxicity. The results showed that the acute median lethal dose (LD50) of S-dinotefuran to honeybee larvae was 30.0 μg/larva after oral exposure for 72 h, which was more toxic than rac-dinotefuran (92.7 μg/larva) and R-dinotefuran (183.6 μg/larva). Although the acute toxicity of the three forms of dinotefuran to larvae was lower than that to adults, chronic exposure significantly reduced larval survival, larval weight, and weight of newly emerged adults. Analysis of gene expression and hormone titer indicated that dinotefuran affects larval growth and development by interfering with nutrient digestion and absorption and the molting system. Analysis of hemolymph metabolome further revealed that disturbances in the neuroactive ligand-receptor interaction pathway and energy metabolism are the key mechanisms of dinotefuran toxicity to bee larvae. In addition, melatonin and vitellogenin are used by larvae to cope with dinotefuran-induced oxidative stress. Our results contribute to a comprehensive understanding of dinotefuran damage to bees and provide new insights into the mechanism of enantioselective toxicity of insecticides to insect larvae.

Abstract Declining insect populations emphasize the importance of understanding the drivers underlying reductions in insect fitness. Here, we investigated viruses as a threat to social insect reproduction, using honey bees as a model species. We report that in a sample of N = 93 honey bee ( Apis mellifera ) queens from nine beekeeping operations across a wide geographic range, high levels of natural viral infection are associated with decreased ovary mass. We confirmed this finding in an independent sample of N = 54 queens. Failed (poor quality) queens displayed higher levels of viral infection, reduced sperm viability, smaller ovaries, and altered ovary protein composition compared to healthy queens. We experimentally infected queens with Israeli acute paralysis virus (IAPV) and found that the ovary masses of IAPV-injected queens were significantly smaller than control queens, demonstrating a causal relationship between viral infection and ovary size. Queens injected with IAPV also had significantly lower expression of vitellogenin, the main source of nutrition deposited into developing oocytes, and higher levels of heat-shock proteins (HSPs), which are part of the honey bee’s antiviral response. This work together shows that viral infections occurring naturally in the field are compromising queen reproductive success.

Zearalenone (ZEN) has been shown to cause reproductive damage by inducing oxidative stress. Astaxanthin and L-carnitine are widely used to alleviate oxidative stress and promote sperm maturation. However, it remains uncertain whether they are effective in mitigating spermatogenesis disorders induced by ZEN. This study aimed to investigate the therapeutic efficacy and potential mechanisms of Vigor King (Vig), a compound preparation primarily consisting of astaxanthin and L-carnitine, in alleviating ZEN-induced spermatogenesis disorders. In the experiment, mice received continuous oral gavage of ZEN (80 μg/kg) for 35 days, accompanied by a rescue strategy with Vig (200 mg/kg). The results showed that Vig effectively reduced the negative impact on semen quality and improved the structural and functional abnormalities of the seminiferous epithelium caused by ZEN. Additionally, the accumulation of reactive oxygen species (ROS), DNA double-strand breaks, apoptosis, and autophagy abnormalities were all significantly ameliorated. Intriguingly, the GSK3β-dependent BTRC-NRF2 signaling pathway was found to play an important role in this process. Furthermore, testing of offspring indicated that Vig could extend its protective effects to the next generation, effectively combating the transgenerational toxic effects of ZEN. In summary, our research suggests that Vig supplementation holds considerable promise in alleviating spermatogenesis disorders induced by zearalenone.