A view from the edge of the forest : recent progress in understanding the relationships of the insect orders

Research over the last two decades has significantly increased our understanding of the evolutionary position of the insects among other arthropods, and the relationships among the insect Orders. Many of these insights have been established through increasingly sophisticated analyses of DNA sequence data from a limited number of genes. Recent results have established the relationships of the Holometabola, but relationships among the hemimetabolous orders have been more difficult to elucidate. A strong consensus on the relationships among the Palaeoptera (Ephemeroptera and Odonata) and their relationship to the Neoptera has not emerged with all three possible resolutions supported by different data sets. While polyneopteran relationships generally have resisted significant resolution, it is now clear that termites, Isoptera, are nested within the cockroaches, Blattodea. The newly discovered order Mantophasmatodea is difficult to place with the balance of studies favouring Grylloblattodea as sister-group. While some studies have found the paraneopteran orders (Hemiptera, Thysanoptera, Phthiraptera and Psocoptera) monophyletic, evidence suggests that parasitic lice (Phthiraptera) have evolved from groups within the book and bark lice (Psocoptera), and may represent parallel evolutions of parasitism within two major louse groups. Within Holometabola, it is now clear that Hymenoptera are the sister to the other orders, that, in turn are divided into two clades, the Neuropteroidea (Coleoptera, Neuroptera and relatives) and the Mecopterida (Trichoptera, Lepidoptera, Diptera and their relatives). The enigmatic order Strepsiptera, the twisted wing insects, have now been placed firmly near Coleoptera, rejecting their close relationship to Diptera that was proposed some 15years ago primarily based on ribosomal DNA data. Phylogenomic-scale analyses are just beginning to be focused on the relationships of the insect orders, and this is where we expect to see resolution of palaeopteran and polyneopteran relationships. Future research will benefit from greater coordination between intra and inter-ordinal analyses. This will maximise the opportunities for appropriate outgroup choice at the intraordinal level and provide the background knowledge for the interordinal analyses to span the maximum phylogenetic scope within groups.

Characterization of the molecular clockwork in the cockroach Rhyparobia maderae

Der Wechsel von Tag und Nacht erzeugt einen regelmäßigen Rhythmus von verschiedenen Umweltreizen, allen voran Licht und Temperatur. Fast jedes bis zum heutigen Tage untersuchte Lebewesen besitzt einen endogenen Mechanismus zur Zeitwahrnehmung, und diese "innere Uhr" befähigt Lebewesen dazu, sich vorausschauend an rhythmische Umwelt-Änderungen anzupassen. Circadiane Rhythmen bestehen auch ohne jegliche äußere Reize und basieren auf einem molekularen Rückkopplungs-Mechanismus, der Rhythmen in Genexpression und Proteinkonzentration von etwa 24 Stunden erzeugt. Obwohl sich die grundsätzlichen Mechanismen und Komponenten dieses molekularen Uhrwerks in allen Insekten ähneln, zeigte sich jedoch immer mehr, dass es im Detail doch wesentliche Unterschiede zwischen verschiedenen Insektengruppen gibt. Während das molekulare Uhrwerk der Fruchtfliege Drosophila melanogaster inzwischen sehr gut untersucht ist, fehlen bei den meisten Insektengruppen immernoch eingehende Untersuchungen. Fast nichts ist über die molekulare Basis von circadianen Rhythmen bei der Schabe Rhyparobia maderae bekannt, obwohl diese Art bereits seit Langem als Modellorganismus in der Chronobiologie dient. Um mit der Forschung am molekularen, circadianen System von R. maderae zu beginnen, wurde die Struktur und das Expressionsprofil der core feedback loop Gene per, tim1 und cry2 analysiert. Mittels degenerierten Primern und RACE konnte das vollständige offene Leseraster (OLR) von rmPer und rmCry2, und ein Teil des rmTim1 OLR kloniert werden. Eine phylogenetische Analyse gruppierte rmPER und rmCRY2 gemeinsam mit den Orthologa hemimetaboler Insekten. Viele bei D. melanogaster funktionell charakterisierte Domänen sind bei diesen Proteinen konserviert, was auf eine ähnliche Funktion in der inneren Uhr von R. maderae hinweist. Mittels quantitativer PCR konnte gezeigt werden, dass die mRNA von rmPer, rmTim1 und rmCry2 in verschiedenen Lichtregimen in der gleichen Phasenlage Tageszeit-abhängig schwankt. Die Phasenlage stellte sich bei unterschiedlichen Photoperioden jeweils relativ zum Beginn der Skotophase ein, mit Maxima in der ersten Hälfte der Nacht. Auch im Dauerdunkel zeigen sich Rhythmen in der rmTim1 und rmCry2 Expression. Die Amplitude der rmPer Expressionsrhythmen war jedoch so gering, dass keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Zeitgeberzeiten (ZT) festgestellt werden konnten. Mittels Laufrad-Assays wurde untersucht wie Kurz- und Langtag Lichtregime die Verhaltensrhythmen beeinflussen. Es konnten nur Unterschiede in der Periodenlänge unter freilaufenden Bedingungen festgestellt werden, wenn höhere Lichtintensitäten (1000lx) zur Synchronisation (entrainment) genutzt wurden. Die Periode des freilaufenden Rhythmus war bei Tieren aus dem Kurztag länger. Die photoperiodische Plastizität zeigte sich also auch auf Verhaltensebene, obwohl höhere Lichtintensitäten notwendig waren um einen Effekt zu beobachten. Basierend auf den Sequenzen der zuvor klonierten OLR wurden gegen rmPER, rmTIM1 und rmCRY2 gerichtete Antikörper hergestellt. Die Antikörper gegen rmPER und rmTIM1 erkannten in western blots sehr wahrscheinlich spezifisch das jeweilige Protein. Zeitreihen von Gehirngewebe-Homogenisaten zeigten keinen offensichtlichen circadianen Rhythmus in der Proteinkonzentration, wahrscheinlich auf Grund einer Oszillation mit niedriger Amplitude. In Immunhistochemischen Färbungen konnte nur mit dem gegen rmPER gerichteten Antikörper aus Kaninchen ein Signal beobachtet werden. Beinahe jede Zelle des Zentralnervensystems war rmPER-immunreaktiv im Zellkern. Es konnten keine Unterschiede zwischen den untersuchten ZTs festgestellt werden, ähnlich wie bei den western blot Zeitreihen. In dieser Studie konnten erstmals molekulare Daten der circadianen Uhr von R. maderae erfasst und dargestellt werden. Die Uhrgene per, tim1 und cry2 werden in dieser Schabenart exprimiert und ihre Domänenstruktur sowie das circadiane Expressionsmuster ähneln dem hypothetischen ursprünglichen Insektenuhrwerk, welches der circadianen Uhr von Vertebraten nahesteht. Das molekulare Uhrwerk von R. maderae kann sich an unterschiedliche Photoperioden anpassen, und diese Anpassungen manifestieren sich im Expressionsprofil der untersuchten Uhrgene ebenso wie im Verhalten.

Genome sequences of the human body louse and its primary endosymbiont provide insights into the permanent parasitic lifestyle

As an obligatory parasite of humans, the body louse (Pediculus humanus humanus) is an important vector for human diseases, including epidemic typhus, relapsing fever, and trench fever. Here, we present genome sequences of the body louse and its primary bacterial endosymbiont Candidatus Riesia pediculicola. The body louse has the smallest known insect genome, spanning 108 Mb. Despite its status as an obligate parasite, it retains a remarkably complete basal insect repertoire of 10,773 protein-coding genes and 57 microRNAs. Representing hemimetabolous insects, the genome of the body louse thus provides a reference for studies of holometabolous insects. Compared with other insect genomes, the body louse genome contains significantly fewer genes associated with environmental sensing and response, including odorant and gustatory receptors and detoxifying enzymes. The unique architecture of the 18 minicircular mitochondrial chromosomes of the body louse may be linked to the loss of the gene encoding the mitochondrial single-stranded DNA binding protein. The genome of the obligatory louse endosymbiont Candidatus Riesia pediculicola encodes less than 600 genes on a short, linear chromosome and a circular plasmid. The plasmid harbors a unique arrangement of genes required for the synthesis of pantothenate, an essential vitamin deficient in the louse diet. The human body louse, its primary endosymbiont, and the bacterial pathogens that it vectors all possess genomes reduced in size compared with their free-living close relatives. Thus, the body louse genome project offers unique information and tools to use in advancing understanding of coevolution among vectors, symbionts, and pathogens.

Molting dynamics and juvenile hormone titer profiles in the nymphal stages of a lower termite, Cryptotermes secundus (Kalotermitidae) - signatures of developmental plasticity

Termites are social cockroaches and this sociality is founded on a high plasticity during development. Three molting types (progressive, stationary and regressive molts) are fundamental to achieve plasticity during alate/sexual development, and they make termites a major challenge to any model on endocrine regulation in insect development. As the endocrine signatures underpinning this plasticity are barely understood, we studied the developmental dynamics and their underlying juvenile hormone OH) titers in a wood-dwelling termite. Cryptotermes secundus, which is characterized by an ancestral life style of living in dead wood and individuals being totipotent in development. The following general pattern elements could be identified during winged sexual development (i) regressive molts were accompanied by longer intermolt periods than other molting types, (ii) JH titers decreased gradually during the developmental transition from larva (immatures without wing buds), to nymph (immatures with wing buds), to winged adult, (iii) in all nymphal stages, the JH titer rose before the next molt and dropped thereafter within the first week, (iv) considerable variation in JH titers occurred in the midphase of the molting cycle of the 2nd and 3rd nymphal instar, inferring that this variation may reflect the underlying endocrine signature of each of the three molting types, (v) the 4th nymphal instar, the shortest of all, seems to be a switch point in development, as nymphs in this stage mainly developed progressively. When comparing these patterns with endocrine signatures seen in cockroaches, the developmental program of Cryprotermes can be interpreted as a co-option and repetitive use of hormonal dynamics of the post dorsal-closure phase of cockroach embryonic development. (C) 2012 Elsevier Ltd. All tights reserved.