Abstract CRISPR-Cas9 genome editing is a promising technique for clinical applications, such as the correction of disease-associated alleles in somatic cells. The use of this approach has also been discussed in the context of heritable editing of the human germline. However, studies assessing gene correction in early human embryos report low efficiency of mutation repair, high rates of mosaicism and the possibility of unintended editing outcomes that may have pathologic consequences. We developed computational pipelines to assess single-cell genomics and transcriptomics datasets from OCT4 ( POU5F1 ) CRISPR-Cas9-targeted and control human preimplantation embryos. This allowed us to evaluate on-target mutations that would be missed by more conventional genotyping techniques. We observed loss-of-heterozygosity in edited cells that spanned regions beyond the POU5F1 on-target locus, as well as segmental loss and gain of chromosome 6, on which the POU5F1 gene is located. Unintended genome editing outcomes were present in approximately 16% of the human embryo cells analysed and spanned 4 to 20kb. Our observations are consistent with recent findings indicating complexity at on-target sites following CRISPR-Cas9 genome editing. Our work underscores the importance of further basic research to assess the safety of genome editing techniques in human embryos, which will inform debates about the potential clinical use of this technology.

Abstract Animals are extremely useful genetic tools in science and global resources in agriculture. However, a single sex is often required in surplus, and current genetic methods for producing all-female or all-male litters are inefficient. Using the mouse as a model, we developed a synthetic, two-part bicomponent strategy for generating all-male litters. We achieved this using CRISPR-Cas9 genome editing technology to generate large stable knock-ins on the autosomes and X chromosome. The bicomponent system functions via the sex-specific co-inheritance of a Cas9 transgene and an sgRNA transgene targeting the essential Topoisomerase 1 gene. This technology proved to be highly efficient in generating on-target mutations, resulting in embryonic lethality of the target sex. Our study is the first to successfully generate all-male mammalian litters using a CRISPR-Cas9 bicomponent system and provides great strides towards generating single-sex litters for laboratory or agricultural research.

Abstract Numerous plant genera have a history including frequent hybridisation and polyploidisation, which often means that their phylogenies are not yet fully resolved. The genus Betula , which contains many ecologically important allopolyploid tree species, is a case in point. We generated genome-wide sequence data for 27 diploid and 31 polyploid Betula species or subspecies using restriction site associated DNA (RAD) sequences assembled into contigs with a mean length of 675 bp. We reconstructed the evolutionary relationships among diploid Betula species using both supermatrix and species tree methods. We identified progenitors of the polyploids according to the relative rates at which their reads mapped to contigs from different diploid species. We sorted the polyploid reads into different putative sub-genomes and used the extracted contigs, along with the diploid sequences, to build new phylogenies that included the polyploid sub-genomes. This approach yielded a highly evidenced phylogenetic hypothesis for the genus Betula , including the complex reticulate origins of the majority of its polyploid taxa. The genus was split into two well supported clades, which differ in their seed-wing morphology. We propose a new taxonomy for Betula , splitting it into two subgenera. We have resolved the parentage of many widespread and economically important polyploid tree species, opening the way for their population genomic study.

Meiotic cells undergo genetic exchange between homologous chromosomes through programmed DNA double-strand break (DSB) formation, recombination and synapsis [1, 2]. In mice, the DNA damage-regulated phosphatidylinositol-3-kinase-like kinase (PIKK) ATM regulates all of these processes [3-6]. However, the meiotic functions of another major PIKK, ATR, have remained elusive, because germ line-specific depletion of this kinase is challenging. Using an efficient conditional strategy, we uncover roles for ATR in male mouse prophase I progression. Deletion of ATR causes chromosome axis fragmentation and germ cell elimination at mid pachynema. ATR is required for homologous synapsis, in a manner genetically dissociable from DSB formation. In addition, ATR regulates loading of recombinases RAD51 and DMC1 to DSBs and maintenance of recombination foci on synapsed and asynapsed chromosomes. Mid pachytene spermatocyte elimination in ATR deficient mice cannot be rescued by deletion of ATM and the third DNA damage-regulated PIKK, PRKDC, consistent with the existence of a PIKK-independent surveillance mechanism in the mammalian germ line. Our studies identify ATR as a multifunctional regulator of mouse meiosis.

When populations of a rare species are small, isolated and declining under climate change, some populations may become locally maladapted. Detecting this maladaptation may allow effective rapid conservation interventions, even if based on incomplete knowledge. Population maladaptation may be estimated by finding genome-environment associations (GEA) between allele frequencies and environmental variables across a local species range, and identifying populations whose allele frequencies do not fit with these trends. We can then design assisted gene flow strategies for maladapted populations, to adjust their allele frequencies, entailing lower levels of intervention than with undirected conservation action. Here, we investigate this strategy in Scottish populations of the montane plant dwarf birch (Betula nana). In genome-wide single nucleotide polymorphism (SNP) data we found 267 significant associations between SNP loci and environmental variables. We ranked populations by maladaptation estimated using allele frequency deviation from the general trends at these loci; this gave a different prioritization for conservation action than the Shapely Index, which seeks to preserve rare neutral variation. Populations estimated to be maladapted in their allele frequencies at loci associated with annual mean temperature were found to have reduced catkin production. Using an environmental niche modelling (ENM) approach, we found annual mean temperature (35%), and mean diurnal range (15%), to be important predictors of the dwarf birch distribution. Intriguingly, there was a significant correlation between the number of loci associated with each environmental variable in the GEA, and the importance of that variable in the ENM. Together, these results suggest that the same environmental variables determine both adaptive genetic variation and species range in Scottish dwarf birch. We suggest an assisted gene flow strategy that aims to maximize the local adaptation of dwarf birch populations under climate change by matching allele frequencies to current and future environments.