SARS-CoV-2 is a SARS-like coronavirus of likely zoonotic origin first identified in December 2019 in Wuhan, the capital of China's Hubei province. The virus has since spread globally, resulting in the currently ongoing COVID-19 pandemic. The first whole genome sequence was published on January 5 2020, and thousands of genomes have been sequenced since this date. This resource allows unprecedented insights into the past demography of SARS-CoV-2 but also monitoring of how the virus is adapting to its novel human host, providing information to direct drug and vaccine design. We curated a dataset of 7666 public genome assemblies and analysed the emergence of genomic diversity over time. Our results are in line with previous estimates and point to all sequences sharing a common ancestor towards the end of 2019, supporting this as the period when SARS-CoV-2 jumped into its human host. Due to extensive transmission, the genetic diversity of the virus in several countries recapitulates a large fraction of its worldwide genetic diversity. We identify regions of the SARS-CoV-2 genome that have remained largely invariant to date, and others that have already accumulated diversity. By focusing on mutations which have emerged independently multiple times (homoplasies), we identify 198 filtered recurrent mutations in the SARS-CoV-2 genome. Nearly 80% of the recurrent mutations produced non-synonymous changes at the protein level, suggesting possible ongoing adaptation of SARS-CoV-2. Three sites in Orf1ab in the regions encoding Nsp6, Nsp11, Nsp13, and one in the Spike protein are characterised by a particularly large number of recurrent mutations (>15 events) which may signpost convergent evolution and are of particular interest in the context of adaptation of SARS-CoV-2 to the human host. We additionally provide an interactive user-friendly web-application to query the alignment of the 7666 SARS-CoV-2 genomes.

Abstract Large structural variations (SVs) within genomes are more challenging to identify than smaller genetic variants but may substantially contribute to phenotypic diversity and evolution. We analyse the effects of SVs on gene expression, quantitative traits and intrinsic reproductive isolation in the yeast Schizosaccharomyces pombe . We establish a high-quality curated catalogue of SVs in the genomes of a worldwide library of S. pombe strains, including duplications, deletions, inversions and translocations. We show that copy number variants (CNVs) show a variety of genetic signals consistent with rapid turnover. These transient CNVs produce stoichiometric effects on gene expression both within and outside the duplicated regions. CNVs make substantial contributions to quantitative traits, most notably intracellular amino acid concentrations, growth under stress and sugar utilization in winemaking, whereas rearrangements are strongly associated with reproductive isolation. Collectively, these findings have broad implications for evolution and for our understanding of quantitative traits including complex human diseases.

Abstract Colistin represents one of the few available drugs for treating infections caused by carbapenem-resistant Enterobacteriaceae . As such, the recent plasmid-mediated spread of the colistin resistance gene mcr-1 poses a significant public health threat, requiring global monitoring and surveillance. Here, we characterize the global distribution of mcr-1 using a data set of 457 mcr-1- positive sequenced isolates. We find mcr-1 in various plasmid types but identify an immediate background common to all mcr-1 sequences. Our analyses establish that all mcr-1 elements in circulation descend from the same initial mobilization of mcr-1 by an IS A pl1 transposon in the mid 2000s (2002–2008; 95% highest posterior density), followed by a marked demographic expansion, which led to its current global distribution. Our results provide the first systematic phylogenetic analysis of the origin and spread of mcr-1 , and emphasize the importance of understanding the movement of antibiotic resistance genes across multiple levels of genomic organization.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in late 2019 and spread globally to cause the COVID-19 pandemic. Despite the constant accumulation of genetic variation in the SARS-CoV-2 population, there was little evidence for the emergence of significantly more transmissible lineages in the first half of 2020. Starting around November 2020, several more contagious and possibly more virulent ‘Variants of Concern’ (VoCs) were reported in various regions of the world. These VoCs share some mutations and deletions that haven arisen recurrently in distinct genetic backgrounds. Here, we build on our previous work modelling the association of mutations to SARS-CoV-2 transmissibility and characterise the contribution of individual recurrent mutations and deletions to estimated viral transmissibility. We then assess how patterns of estimated transmissibility in all SARS-CoV-2 clades have varied over the course of the COVID-19 pandemic by summing transmissibility estimates for all individual mutations carried by any sequenced genome analysed. Such an approach recovers the Delta variant (21A) as the most transmissible clade currently in circulation, followed by the Alpha variant (20I). By assessing transmissibility over the time of sampling, we observe a tendency for estimated transmissibility within clades to slightly decrease over time in most clades. Although subtle, this pattern is consistent with the expectation of a decay in transmissibility in mainly non-recombining lineages caused by the accumulation of weakly deleterious mutations. SARS-CoV-2 remains a highly transmissible pathogen, though such a trend could conceivably play a role in the turnover of different global viral clades observed over the pandemic so far. Caveats This work is not about the severity of disease. We do not analyse the severity of disease. We do not present any evidence that SARS-CoV-2 has decreased in severity. Lineage replacement dynamics are affected by many factors. The trend we recover for a decrease in inferred transmissibility of a clade over time is a small effect. We caution against over-interpretation. This result would not affect the management of the SARS-CoV-2 pandemic: for example, we make no claims about any impact on the efficacy of particular non-pharmaceutical interventions (NPIs). Our phylogeny-based method to infer changes in estimated transmissibility due to recurrent mutations and deletions makes a number of simplifying assumptions. These may not all be valid. The consistent trend for the slight decrease we report might be due to an as-yet-unidentified systematic bias.

Abstract A hospital outbreak of carbapenem-resistant Enterobacteriales was detected by routine surveillance. Whole genome sequencing and subsequent analysis revealed a conserved promiscuous OXA-48 carrying plasmid as the defining factor within this outbreak. Four different species of Enterobacteriales were involved in the outbreak. Escherichia coli ST399 accounted for 20/55 of all the isolates. Comparative genomics with publicly available E. coli ST399 sequence data showed that the outbreak isolates formed a unique clade. The OXA-48 plasmid identified in the outbreak differed from other known plasmids by an estimated five homologous recombination events. We estimated a lower bound to the plasmid conjugation rate to be 0.23 conjugation events per lineage per year. Our analysis suggests co-evolution between the plasmid and its main bacterial host to be a key driver of the outbreak. This is the first study to report carbapenem-resistant E. coli ST399 carrying OXA48 as the main cause of a plasmid-borne outbreak within a hospital setting. This study supports complementary roles for both plasmid conjugation and clonal expansion in the emergence of this outbreak.

Escherichia coli and other Enterobacteriaceae are highly diverse species with ‘open’ pangenomes 1,2 , where genes move intra- and inter-species via horizontal gene transfer 3 . These species can cause clinical infections 4,5 as well as persist environmentally 6,7 . Environmental populations have been suggested as important reservoirs of antimicrobial resistance (AMR) genes. However, as most analyses focus on clinical isolates 8,9 , the pangenome dynamics of natural populations remain understudied, particularly the role of plasmids. Here, we reconstructed near-complete genomes for 828 Enterobacteriaceae , including 553 Escherichia spp. and 275 non- Escherichia species with 2,293 circularised plasmids in total, collected from nineteen locations (livestock farms and wastewater treatment works in the United Kingdom) within a 30km radius at three timepoints over the course of a year. We find different dynamics for the chromosomal and plasmid-borne components of the pangenome, showing that plasmids have a higher burden of both AMR genes and insertion sequences, and AMR plasmids show evidence of being under stronger selective pressure. Focusing on E. coli , we observe that plasmid dynamics are more strongly dominated by niche and local geography, rather than phylogeny or season. Our results highlight the diversity of the AMR reservoir in these species and niches, and the importance of local strategies for controlling the emergence and spread of AMR.

Abstract Large structural variations (SVs) in the genome are harder to identify than smaller genetic variants but may substantially contribute to phenotypic diversity and evolution. Here we analyze the effects of SVs on gene expression, quantitative traits, and intrinsic reproductive isolation in the yeast Schizosaccharomyces pombe . We establish a high-quality curated catalog of SVs in the genomes of a worldwide library of S. pombe strains, including duplications, deletions, inversions and translocations. We show that copy number variants (CNVs) frequently segregate within closely related clonal populations, are weakly linked to single nucleotide polymorphisms (SNPs), and show other genetic signals consistent with rapid turnover. These transient CNVs produce stoichiometric effects on gene expression both within and outside the duplicated regions. CNVs make substantial contributions to quantitative traits such as cell shape, cell growth under diverse conditions, sugar utilization in winemaking, whereas rearrangements are strongly associated with reproductive isolation. Collectively, these findings have broad implications for evolution and for our understanding of quantitative traits including complex human diseases.

The genomic diversity of microbes is commonly parameterized as single nucleotide polymorphisms relative to a reference genome of a well-characterized, but arbitrary, isolate. However, any reference genome contains only a fraction of the microbial pangenome , the total set of genes observed in a given species. Reference-based approaches are thus blind to the dynamics of the accessory genome, as well as variation within gene order and copy number. With the wide-spread usage of long-read sequencing, the number of high-quality, complete genome assemblies has increased dramatically. Traditional computational approaches towards whole-genome analysis either scale poorly with the number of genomes, or treat genomes as dissociated “bags of genes”, and thus are not suited for this new era. Here, we present PanGraph , a Julia-based library and command line interface for aligning whole genomes into a graph. Each genome is represented as an undirected path along vertices, which in turn, encapsulate homologous multiple sequence alignments. The resultant data structure succinctly summarizes population-level nucleotide and structural polymorphisms and can be exported into a several common formats for either downstream analysis or immediate visualization.

Abstract The mobile resistance gene bla NDM encodes the NDM enzyme which hydrolyses carbapenems, a class of antibiotics used to treat some of the most severe bacterial infections. bla NDM is globally distributed across a variety of Gram-negative bacteria on multiple plasmids, typically located within a highly recombining and transposon-rich genomic region. This complexity means the dynamics underlying the dissemination of bla NDM remain poorly resolved. In this work, we compile a dataset of over 6000 bacterial genomes harbouring the bla NDM gene including 104 newly generated PacBio hybrid assemblies from clinical and livestock associated isolates across China. We develop a novel computational approach to track structural variants surrounding bla NDM in bacterial genomes. This allows us to identify the prevalent genomic contexts of bla NDM and reconstruct the key mobile genetic elements and events in its global spread. We estimate that bla NDM emerged on a Tn 125 transposon before 1985 but only reached a global prevalence around a decade after its first recorded observation in 2005. We find that the Tn 125 transposon played an important role in early plasmid-mediated jumps of bla NDM but was overtaken by other elements in recent years including IS26-flanked pseudo-composite transposons and Tn 3000 . Lastly, we observe a notable correlation between plasmid backbones bearing bla NDM and the sampling location of isolates. This observation suggests that the dissemination of resistance genes is mainly driven by successive between-plasmid transposon jumps, with plasmid exchange much more restricted due to the adaptation of plasmids to specific bacterial hosts.

Abstract Many novel traits such as antibiotic resistance are spread by plasmids between species. Yet plasmids have different host ranges. Restriction-modification systems (R-M systems) are by far the most abundant bacterial defense system and therefore represent one of the key barriers to plasmid spread. However, their effect on plasmid evolution and host range has been neglected. Here we analyse the avoidance of targets of the most abundant R-M systems (Type II) for complete genomes and plasmids across bacterial diversity. For the most common target length (6 bp) we show that target avoidance is strongly correlated with the taxonomic distribution of R-M systems and is greater in plasmid genes than core genes. We find stronger avoidance of R-M targets in plasmids which are smaller and have a broader host range. Our results suggest two different evolutionary strategies for plasmids: small plasmids primarily adapt to R-M systems by tuning their sequence composition, and large plasmids primarily adapt through the carriage of additional genes protecting from restriction. Our work provides systematic evidence that R-M systems are important barriers to plasmid transfer and have left their mark on plasmids over long evolutionary time.