Abstract Understanding the genetic basis of anthelmintic drug resistance in parasitic nematodes is key to improving the efficacy and sustainability of parasite control. Here, we use a genetic cross in a natural host-parasite system to simultaneously map resistance loci for the three major classes of anthelmintics. This approach identifies novel alleles for resistance to benzimidazoles and levamisole and implicates the transcription factor, cky-1 , in ivermectin resistance. This gene is within a locus under selection in ivermectin resistant populations worldwide; functional validation using knockout experiments supports a role for cky-1 overexpression in ivermectin resistance. Our work demonstrates the feasibility of high-resolution forward genetics in a parasitic nematode, and identifies variants for the development of molecular diagnostics to combat drug resistance in the field. One-Sentence Summary: Genetic mapping of known and novel anthelmintic resistance-associated alleles in a multi-drug resistant parasitic nematode

Abstract The antiparasitic drug ivermectin plays an essential role in human and animal health globally. However, ivermectin resistance is widespread in veterinary helminths and there are growing concerns of sub-optimal responses to treatment in related helminths of humans. Despite decades of research, the genetic mechanisms underlying ivermectin resistance are poorly understood in parasitic helminths. This reflects significant uncertainty regarding the mode of action of ivermectin in parasitic helminths, and the genetic complexity of these organisms; parasitic helminths have large, rapidly evolving genomes and differences in evolutionary history and genetic background can confound comparisons between resistant and susceptible populations. We undertook a controlled genetic cross of a multi-drug resistant and a susceptible reference isolate of Haemonchus contortus , an economically important gastrointestinal nematode of sheep, and ivermectin-selected the F2 population for comparison with an untreated F2 control. RNA-seq analyses of male and female adults of all populations identified high transcriptomic differentiation between parental isolates, which was significantly reduced in the F2, allowing differences associated specifically with ivermectin resistance to be identified. In all resistant populations, there was constitutive upregulation of a single gene, HCON_00155390:cky-1 , a putative pharyngeal-expressed transcription factor, in a narrow locus on chromosome V previously shown to be under ivermectin selection. In addition, we detected sex-specific differences in gene expression between resistant and susceptible populations, including constitutive upregulation of a P-glycoprotein, HCON_00162780:pgp-11 , in resistant males only. After ivermectin selection, we identified differential expression of genes with roles in neuronal function and chloride homeostasis, which is consistent with an adaptive response to ivermectin-induced hyperpolarisation of neuromuscular cells. Overall, we show the utility of a genetic cross to identify differences in gene expression that are specific to ivermectin selection and provide a framework to better understand ivermectin resistance and recovery in parasitic helminths. Author Summary Parasitic helminths (worms) infect people and animals throughout the world and are largely controlled with mass administration of anthelmintic drugs. There are a very limited number of anthelmintics available and parasitic helminths can rapidly develop resistance to these drugs. Ivermectin is a widely used anthelmintic in both humans and animals, but resistance is now widespread in the veterinary field. We crossed ivermectin resistant and ivermectin susceptible parasitic helminths and treated them with ivermectin or left them as untreated controls. This provided resistant and susceptible populations with a similar genetic background with which to study differences in gene expression associated with ivermectin resistance. We identified upregulation of a gene with no previous association with drug resistance ( HCON_00155390:cky-1 ) in male and female worms in all resistant populations. This gene is thought to be expressed in the helminth pharynx (mouthpart) and, in mammals, plays a role in controlling nerve function and protecting nerves from damage. This is consistent with the known effects of ivermectin in inhibiting helminth feeding through pharyngeal paralysis and implicates a novel mechanism that allows resistant worms to survive treatment.

Background: Infections with helminths cause an enormous disease burden in billions of animals and plants worldwide. Large scale use of anthelmintics has driven the evolution of resistance in a number of species that infect livestock and companion animals, and there are growing concerns regarding the reduced efficacy in some human-infective helminths. Understanding the mechanisms by which resistance evolves is the focus of increasing interest; robust genetic analysis of helminths is challenging, and although many candidate genes have been proposed, the genetic basis of resistance remains poorly resolved. Results: Here, we present a genome-wide analysis of two genetic crosses between ivermectin resistant and sensitive isolates of the parasitic nematode Haemonchus contortus, an economically important gastrointestinal parasite of small ruminants and a model for anthelmintic research. Whole genome sequencing of parental populations, and key stages throughout the crosses, identified extensive genomic diversity that differentiates populations, but after backcrossing and selection, a single genomic quantitative trait locus (QTL) localised on chromosome V was revealed to be associated with ivermectin resistance. This QTL was common between the two geographically and genetically divergent resistant populations and did not include any leading candidate genes, suggestive of a previously uncharacterised mechanism and/or driver of resistance. Despite limited resolution due to low recombination in this region, population genetic analyses and novel evolutionary models supported strong selection at this QTL, driven by at least partial dominance of the resistant allele, and that large resistance-associated haplotype blocks were enriched in response to selection. Conclusions: We have described the genetic architecture and mode of ivermectin selection, revealing a major genomic locus associated with ivermectin resistance, the most conclusive evidence to date in any parasitic nematode. This study highlights a novel genome-wide approach to the analysis of a genetic cross in non-model organisms with extreme genetic diversity, and the importance of a high quality reference genome in interpreting the signals of selection so identified.

The bovine lungworm Dictyocaulus viviparus negatively impacts bovine health and leads to substantial economic losses. Lungworm infections can be difficult to manage due to the unpredictable and severe nature of clinical outbreaks. Despite the widespread use of macrocyclic lactones (MLs) in grazing cattle in the UK, there have been no confirmed reports of resistant lungworms to date, with only one case of anthelmintic-resistant (ML) lungworm confirmed worldwide.

Some nematode species are economically important parasites of livestock, while others are important human pathogens causing some of the most important neglected tropical diseases. In both humans and animals, anthelmintic drug administration is the main control strategy, but the emergence of drug-resistant worms has stimulated the development of alternative control approaches. Among these, vaccination is considered to be a sustainable and cost effective strategy. Currently, Barbervax® for the ruminant strongylid Haemonchus contortus is the only registered subunit vaccine for a nematode parasite, although a vaccine for the human hookworm Necator americanus is undergoing clinical trials (HOOKVAC consortium). As both these vaccines comprise a limited number of proteins there is potential for selection of nematodes with altered sequence or expression of the vaccine antigens. Here we compared the transcriptome of H. contortus populations from sheep vaccinated with Barbervax® with worms from control animals. Barbervax® antigens are native integral membrane proteins isolated from the brush border of the intestinal cells of the adult parasite and many of them are proteases. Our findings provide no evidence for changes in expression of genes encoding Barbervax® antigens in the surviving parasite populations. However, surviving parasites from vaccinated animals showed increased expression of other proteases and regulators of lysosome trafficking, and displayed up-regulated lipid storage and defecation abilities that may have circumvented the vaccine effect. Implications for other potential vaccines for human and veterinary nematodes are discussed.

Background Haemonchus contortus is a globally distributed and economically important gastrointestinal pathogen of small ruminants, and has become the key nematode model for studying anthelmintic resistance and other parasite-specific traits among a wider group of parasites including major human pathogens. Two draft genome assemblies for H. contortus were reported in 2013, however, both were highly fragmented, incomplete, and differed from one another in important respects. While the introduction of long-read sequencing has significantly increased the rate of production and contiguity of de novo genome assemblies broadly, achieving high quality genome assemblies for small, genetically diverse, outcrossing eukaryotic organisms such as H. contortus remains a significant challenge.Results Here, we report using PacBio long read and OpGen and 10X Genomics long-molecule methods to generate a highly contiguous 283.4 Mbp chromosome-scale genome assembly including a resolved sex chromosome. We show a remarkable pattern of almost complete conservation of chromosome content (synteny) with Caenorhabditis elegans , but almost no conservation of gene order. Long-read transcriptome sequence data has allowed us to define coordinated transcriptional regulation throughout the life cycle of the parasite, and refine our understanding of cis - and trans -splicing relative to that observed in C. elegans . Finally, we use this assembly to give a comprehensive picture of chromosome-wide genetic diversity both within a single isolate and globally.Conclusions The H. contortus MHco3(ISE).N1 genome assembly presented here represents the most contiguous and resolved nematode assembly outside of the Caenorhabditis genus to date, together with one of the highest-quality set of predicted gene features. These data provide a high-quality comparison for understanding the evolution and genomics of Caenorhabditis and other nematodes, and extends the experimental tractability of this model parasitic nematode in understanding pathogen biology, drug discovery and vaccine development, and important adaptive traits such as drug resistance.* BUSCO : Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs CCS : circular consensus sequencing CEGMA : Core Eukaryotic Genes Mapping Approach DCC : dosage compensation complex McMaster : draft genome assembly of the H. contortus Australian isolate McMaster, published in Schwarz et al. 2013 DSN : duplex-specific nuclease PCA : Principal component analysis SL : spliced leader V1 : version 1 of the H. contortus MHco3(ISE).N1 genome, published in Laing et al. 2013 V3 : version 3 of the H. contortus MHco3(ISE).N1 genome, unpublished V4 : version 4 of the H. contortus MHco3(ISE).N1 genome, presented here for the first time

Abstract Haemonchus contortus is a haematophagous parasitic nematode that infects small ruminants and causes significant animal health concerns and economic losses within the livestock industry on a global scale. Treatment primarily depends on broad-spectrum anthelmintics, however, resistance is established or rapidly emerging against all major drug classes. Levamisole (LEV) remains an important treatment option for parasite control, as resistance to LEV is less prevalent than to members of other major classes of anthelmintics. LEV is an acetylcholine receptor (AChR) agonist that, when bound, results in paralysis of the worm. Numerous studies implicated the AChR sub-unit, ACR-8, in LEV sensitivity and in particular, the presence of a truncated acr-8 transcript or a deletion in the acr-8 locus in some resistant isolates. Recently, a single non-synonymous SNP in acr-8 conferring a serine-to-threonine substitution (S168T) was identified that was strongly associated with LEV resistance. Here, we investigate the role of genetic variation at the acr-8 locus in a controlled genetic cross between the LEV susceptible MHco3(ISE) and LEV resistant MHco18(UGA 2004) isolates of H. contortus . Using single worm PCR assays, we found that the presence of S168T was strongly associated with LEV resistance in the parental isolates and F3 progeny of the genetic cross surviving LEV treatment. We developed and optimised an allele-specific PCR assay for the detection of S168T and validated the assay using laboratory isolates and field samples that were phenotyped for LEV resistance. In the LEV-resistant field population, a high proportion (>75%) of L 3 encoded the S168T variant, whereas the variant was absent in the susceptible isolates studied. These data further support the potential role of acr-8 S168T in LEV resistance, with the allele-specific PCR providing an important step towards establishing a sensitive molecular diagnostic test for LEV resistance.

The parasitic nematode Teladorsagia circumcincta is one of the most important pathogens of sheep and goat farming in temperate climates worldwide and can rapidly evolve resistance to drugs used to control it. To understand the genetics of drug resistance, we have generated a highly contiguous genome assembly for the UK T. circumcincta isolate MTci2. Assembly using PacBio long-reads and Hi-C long-molecule scaffolding together with manual curation resulted in a 573 Mb assembly (N50 = 84 Mb, n = 1,286) with five autosomal and one sex-linked chromosomal-scale scaffolds consistent with its karyotype. The genome resource was further improved via annotation of 22,948 genes, with manual curation of over 3,200 of these, resulting in a robust and near complete resource (96.3% complete protein BUSCOs) to support basic and applied research on this important veterinary pathogen. Genome-wide analyses of drug resistance, combining evidence from three distinct experiments, identified selection around known candidate genes for benzimidazole, levamisole and ivermectin resistance, as well as novel regions associated with ivermectin and moxidectin resistance. These insights into contemporary and historic genetic selection further emphasise the importance of contiguous genome assemblies in interpreting genome-wide genetic variation associated with drug resistance and identified key loci to prioritise in developing diagnostic markers of anthelmintic resistance to support parasite control.

ABSTRACT Genome-wide methods offer a powerful approach to detect signatures of drug selection in parasite populations in the field. However, their application to parasitic nematodes has been limited because of both a lack of suitable reference genomes and the difficulty of obtaining field populations with sufficiently well-defined drug selection histories. Consequently, there is little information on the genomic signatures of drug selection for parasitic nematodes in the field and on how best to detect them. This study was designed to address these knowledge gaps using field populations of Haemonchus contortus with well-defined and contrasting benzimidazole-selection histories, leveraging a recently completed chromosomal-scale reference genome assembly. We generated a panel of 49,393 ddRADseq markers and used this resource to genotype 20 individual H. contortus adult worms from each of four H. contortus populations: two from closed sheep flocks that had an approximately 20-year history of frequent treatment exclusively with benzimidazole drugs, and two populations with a history of little or no drug treatment. The populations were chosen from the same geographical region to limit population structure in order to maximize the sensitivity of the approach. A clear signature of selection was detected on the left arm of chromosome I centered on the isotype-1 β-tubulin gene in the benzimidazole-selected but not the unselected populations. Two additional, but weaker, signatures of selection were detected; one near the middle of chromosome I and one near the isotype-2 β-tubulin locus on chromosome II. We examined genetic differentiation between populations, and nucleotide diversity and linkage disequilibrium within populations to define these two additional regions as encompassing five genes and a single gene. We also compared the relative power of using pooled versus individual worm sequence data to detect genomic selection signatures and how sensitivity is impacted by sequencing depth, worm number, and population structure. In summary, this study used H. contortus field populations with well-defined drug selection histories to provide the first direct genome-wide evidence for any parasitic nematode that the isotype-1 β-tubulin gene is the quantitatively most important benzimidazole resistance locus. It also identified two additional genomic regions that likely contain benzimidazole-resistance loci of secondary importance. Finally, this study provides an experimental framework to maximize the power of genome-wide approaches to detect signatures of selection driven by anthelmintic drug treatments in field populations of parasitic nematodes. AUTHOR SUMMARY Benzimidazoles are important anthelmintic drugs for human and animal parasitic nematode control with ∼0.5 billion children at risk of infection treated annually worldwide. Drug resistance is common in livestock parasites and a growing concern in humans. Haemonchus contortus is the most important model parasite system used to study anthelmintic resistance and a significant livestock pathogen. It is also one of the few parasitic nematodes with a chromosomal-scale genome assembly. We have undertaken genome-wide scans using a dense RADseq marker panel on worms from natural field populations under differing levels of benzimidazole selection. We show that there is a single predominant genomic signature of selection in H. contortus associated with benzimidazole selection centred on the isotype-1 β-tubulin locus. We also identify two weaker signatures of selection indicative of secondary drug resistance loci. Additionally, we assess the minimum data requirements for parameters including worm number, sequence depth, marker density needed to detect the signatures of selection and compare individual to Poolseq analysis. This work is the first genome-wide study in a parasitic nematode to provide direct evidence of the isotype-1 β-tubulin locus being the single predominant benzimidazole resistance locus and provides an experimental framework for future population genomic studies on anthelmintic resistance.

Whole genome sequencing is being rapidly applied to the study of helminth genomes, including de novo genome assembly, population genetics, and diagnostic applications. Although late-stage juvenile and adult parasites typically produce sufficient DNA for molecular analyses, these parasitic stages are almost always inaccessible in the live host; immature life stages found in the environment for which samples can be collected non-invasively offer a potential alternative, however, these samples are typically yield very low quantities of DNA, can be environmentally resistant, and are susceptible to contamination, often from bacterial or host DNA. Here, we have tested five low-input DNA extraction protocols together with a low-input sequencing library protocol to assess the feasibility of whole genome sequencing of individual immature helminth samples. These approaches do not use whole genome amplification, a common but costly approach to increase the yield of low input samples. We first tested individual parasites from two species spotted onto FTA cards - egg and L1 stages of Haemonchus contortus and miracidia of Schistosoma mansoni - before further testing on an additional six species - Ancylostoma caninum, Ascaridia dissimilis, Dirofilaria immitis, Dracunculus medinensis, Strongyloides stercoralis, and Trichuris muris - with an optimal protocol. Whole genome sequencing followed by analyses to determine the proportion of on- and off-target mapping revealed successful sample preparations for six of the eight species tested with variation between species, and within species but between life stages, described. These results demonstrate the feasibility of whole genome sequencing of individual parasites, and highlight a new avenue towards generating sensitive, specific, and information-rich data for the diagnosis and surveillance of helminths.