Abstract Background Every year the human population encounters epidemic outbreaks of influenza, and history reveals recurring pandemics that have had devastating consequences. The current work focuses on the development of a robust algorithm for detecting influenza strains that have a composite genomic architecture. These influenza subtypes can be generated through a reassortment process, whereby a virus can inherit gene segments from two different types of influenza particles during replication. Reassortant strains are often not immediately recognised by the adaptive immune system of the hosts and hence may be the source of pandemic outbreaks. Owing to their importance in public health and their infectious ability, it is essential to identify reassortant influenza strains in order to understand the evolution of this virus and describe reassortment pathways that may be biased towards particular viral segments. Phylogenetic methods have been used traditionally to identify reassortant viruses. In many studies up to now, the assumption has been that if two phylogenetic trees differ, it is because reassortment has caused them to be different. While phylogenetic incongruence may be caused by real differences in evolutionary history, it can also be the result of phylogenetic error. Therefore, we wish to develop a method for distinguishing between topological inconsistency that is due to confounding effects and topological inconsistency that is due to reassortment. Results The current work describes the implementation of two approaches for robustly identifying reassortment events. The algorithms rest on the idea of significance of difference between phylogenetic trees or phylogenetic tree sets, and subtree pruning and regrafting operations, which mimic the effect of reassortment on tree topologies. The first method is based on a maximum likelihood (ML) framework ( MLreassort ) and the second implements a Bayesian approach ( Breassort ) for reassortment detection. We focus on reassortment events that are found by both methods. We test both methods on a simulated dataset and on a small collection of real viral data isolated in Hong Kong in 1999. Conclusions The nature of segmented viral genomes present many challenges with respect to disease. The algorithms developed here can effectively identify reassortment events in small viral datasets and can be applied not only to influenza but also to other segmented viruses. Owing to computational demands of comparing tree topologies, further development in this area is necessary to allow their application to larger datasets.

Parasitic nematodes (roundworms) and platyhelminths (flatworms) cause debilitating chronic infections of humans and animals, decimate crop production and are a major impediment to socioeconomic development. Here we report a broad comparative study of 81 genomes of parasitic and non-parasitic worms. We have identified gene family births and hundreds of expanded gene families at key nodes in the phylogeny that are relevant to parasitism. Examples include gene families that modulate host immune responses, enable parasite migration though host tissues or allow the parasite to feed. We reveal extensive lineage-specific differences in core metabolism and protein families historically targeted for drug development. From an in silico screen, we have identified and prioritized new potential drug targets and compounds for testing. This comparative genomics resource provides a much-needed boost for the research community to understand and combat parasitic worms. Comparative study of 81 genomes of parasitic and non-parasitic worms identifies gene family births and expanded gene families at key nodes in the phylogeny that are relevant to parasitism and proteins historically targeted for drug development.

Visceral leishmaniasis is a potentially fatal disease endemic to large parts of Asia and Africa, primarily caused by the protozoan parasite Leishmania donovani . Here, we report a high-quality reference genome sequence for a strain of L. donovani from Nepal, and use this sequence to study variation in a set of 16 related clinical lines, isolated from visceral leishmaniasis patients from the same region, which also differ in their response to in vitro drug susceptibility. We show that whole-genome sequence data reveals genetic structure within these lines not shown by multilocus typing, and suggests that drug resistance has emerged multiple times in this closely related set of lines. Sequence comparisons with other Leishmania species and analysis of single-nucleotide diversity within our sample showed evidence of selection acting in a range of surface- and transport-related genes, including genes associated with drug resistance. Against a background of relative genetic homogeneity, we found extensive variation in chromosome copy number between our lines. Other forms of structural variation were significantly associated with drug resistance, notably including gene dosage and the copy number of an experimentally verified circular episome present in all lines and described here for the first time. This study provides a basis for more powerful molecular profiling of visceral leishmaniasis, providing additional power to track the drug resistance and epidemiology of an important human pathogen.

Bursaphelenchus xylophilus is the nematode responsible for a devastating epidemic of pine wilt disease in Asia and Europe, and represents a recent, independent origin of plant parasitism in nematodes, ecologically and taxonomically distinct from other nematodes for which genomic data is available. As well as being an important pathogen, the B. xylophilus genome thus provides a unique opportunity to study the evolution and mechanism of plant parasitism. Here, we present a high-quality draft genome sequence from an inbred line of B. xylophilus, and use this to investigate the biological basis of its complex ecology which combines fungal feeding, plant parasitic and insect-associated stages. We focus particularly on putative parasitism genes as well as those linked to other key biological processes and demonstrate that B. xylophilus is well endowed with RNA interference effectors, peptidergic neurotransmitters (including the first description of ins genes in a parasite) stress response and developmental genes and has a contracted set of chemosensory receptors. B. xylophilus has the largest number of digestive proteases known for any nematode and displays expanded families of lysosome pathway genes, ABC transporters and cytochrome P450 pathway genes. This expansion in digestive and detoxification proteins may reflect the unusual diversity in foods it exploits and environments it encounters during its life cycle. In addition, B. xylophilus possesses a unique complement of plant cell wall modifying proteins acquired by horizontal gene transfer, underscoring the impact of this process on the evolution of plant parasitism by nematodes. Together with the lack of proteins homologous to effectors from other plant parasitic nematodes, this confirms the distinctive molecular basis of plant parasitism in the Bursaphelenchus lineage. The genome sequence of B. xylophilus adds to the diversity of genomic data for nematodes, and will be an important resource in understanding the biology of this unusual parasite.

Evolution is typically thought to proceed through divergence of genes, proteins and ultimately phenotypes. However, similar traits might also evolve convergently in unrelated taxa owing to similar selection pressures. Adaptive phenotypic convergence is widespread in nature, and recent results from several genes have suggested that this phenomenon is powerful enough to also drive recurrent evolution at the sequence level. Where homoplasious substitutions do occur these have long been considered the result of neutral processes. However, recent studies have demonstrated that adaptive convergent sequence evolution can be detected in vertebrates using statistical methods that model parallel evolution, although the extent to which sequence convergence between genera occurs across genomes is unknown. Here we analyse genomic sequence data in mammals that have independently evolved echolocation and show that convergence is not a rare process restricted to several loci but is instead widespread, continuously distributed and commonly driven by natural selection acting on a small number of sites per locus. Systematic analyses of convergent sequence evolution in 805,053 amino acids within 2,326 orthologous coding gene sequences compared across 22 mammals (including four newly sequenced bat genomes) revealed signatures consistent with convergence in nearly 200 loci. Strong and significant support for convergence among bats and the bottlenose dolphin was seen in numerous genes linked to hearing or deafness, consistent with an involvement in echolocation. Unexpectedly, we also found convergence in many genes linked to vision: the convergent signal of many sensory genes was robustly correlated with the strength of natural selection. This first attempt to detect genome-wide convergent sequence evolution across divergent taxa reveals the phenomenon to be much more pervasive than previously recognized.

The small ruminant parasite Haemonchus contortus is the most widely used parasitic nematode in drug discovery, vaccine development and anthelmintic resistance research. Its remarkable propensity to develop resistance threatens the viability of the sheep industry in many regions of the world and provides a cautionary example of the effect of mass drug administration to control parasitic nematodes. Its phylogenetic position makes it particularly well placed for comparison with the free-living nematode Caenorhabditis elegans and the most economically important parasites of livestock and humans. Here we report the detailed analysis of a draft genome assembly and extensive transcriptomic dataset for H. contortus. This represents the first genome to be published for a strongylid nematode and the most extensive transcriptomic dataset for any parasitic nematode reported to date. We show a general pattern of conservation of genome structure and gene content between H. contortus and C. elegans, but also a dramatic expansion of important parasite gene families. We identify genes involved in parasite-specific pathways such as blood feeding, neurological function, and drug metabolism. In particular, we describe complete gene repertoires for known drug target families, providing the most comprehensive understanding yet of the action of several important anthelmintics. Also, we identify a set of genes enriched in the parasitic stages of the lifecycle and the parasite gut that provide a rich source of vaccine and drug target candidates. The H. contortus genome and transcriptome provide an essential platform for postgenomic research in this and other important strongylid parasites.

Unravelling the timing of the metazoan radiation is crucial for elucidating the macroevolutionary processes associated with the Cambrian explosion. Because estimates of metazoan divergence times derived from molecular clocks range from quite shallow (Ediacaran) to very deep (Mesoproterozoic), it has been difficult to ascertain whether there is concordance or quite dramatic discordance between the genetic and geological fossil records. Here, we show using a range of molecular clock methods that the major pulse of metazoan divergence times was during the Ediacaran, which is consistent with a synoptic reading of the Ediacaran macrobiota. These estimates are robust to changes in priors, and are returned with or without the inclusion of a palaeontologically derived maximal calibration point. Therefore, the two historical records of life both suggest that although the cradle of Metazoa lies in the Cryogenian, and despite the explosion of ecology that occurs in the Cambrian, it is the emergence of bilaterian taxa in the Ediacaran that sets the tempo and mode of macroevolution for the remainder of geological time.

Abstract Background Globodera pallida is a devastating pathogen of potato crops, making it one of the most economically important plant parasitic nematodes. It is also an important model for the biology of cyst nematodes. Cyst nematodes and root-knot nematodes are the two most important plant parasitic nematode groups and together represent a global threat to food security. Results We present the complete genome sequence of G. pallida , together with transcriptomic data from most of the nematode life cycle, particularly focusing on the life cycle stages involved in root invasion and establishment of the biotrophic feeding site. Despite the relatively close phylogenetic relationship with root-knot nematodes, we describe a very different gene family content between the two groups and in particular extensive differences in the repertoire of effectors, including an enormous expansion of the SPRY domain protein family in G. pallida , which includes the SPRYSEC family of effectors. This highlights the distinct biology of cyst nematodes compared to the root-knot nematodes that were, until now, the only sedentary plant parasitic nematodes for which genome information was available. We also present in-depth descriptions of the repertoires of other genes likely to be important in understanding the unique biology of cyst nematodes and of potential drug targets and other targets for their control. Conclusions The data and analyses we present will be central in exploiting post-genomic approaches in the development of much-needed novel strategies for the control of G. pallida and related pathogens.

Tsetse flies are the sole vectors of human African trypanosomiasis throughout sub-Saharan Africa. Both sexes of adult tsetse feed exclusively on blood and contribute to disease transmission. Notable differences between tsetse and other disease vectors include obligate microbial symbioses, viviparous reproduction, and lactation. Here, we describe the sequence and annotation of the 366-megabase Glossina morsitans morsitans genome. Analysis of the genome and the 12,308 predicted protein-encoding genes led to multiple discoveries, including chromosomal integrations of bacterial (Wolbachia) genome sequences, a family of lactation-specific proteins, reduced complement of host pathogen recognition proteins, and reduced olfaction/chemosensory associated genes. These genome data provide a foundation for research into trypanosomiasis prevention and yield important insights with broad implications for multiple aspects of tsetse biology.

Taisei Kikuchi, Mark Viney, Matthew Berriman and colleagues report the genome sequences of six species of nematodes from the Strongyloides clade of nematodes, including human and animal pathogens, facultative parasites and a free-living species. They find that expansions of the astacin and SCP/TAPS gene families are associated with parasitism in these species. Soil-transmitted nematodes, including the Strongyloides genus, cause one of the most prevalent neglected tropical diseases. Here we compare the genomes of four Strongyloides species, including the human pathogen Strongyloides stercoralis, and their close relatives that are facultatively parasitic (Parastrongyloides trichosuri) and free-living (Rhabditophanes sp. KR3021). A significant paralogous expansion of key gene families—families encoding astacin-like and SCP/TAPS proteins—is associated with the evolution of parasitism in this clade. Exploiting the unique Strongyloides life cycle, we compare the transcriptomes of the parasitic and free-living stages and find that these same gene families are upregulated in the parasitic stages, underscoring their role in nematode parasitism.