Abstract The genomic architecture underlying the origins and maintenance of biodiversity is an increasingly accessible feature of species, due in large part to third-generation sequencing and novel analytical toolsets. Woodrats of the genus Neotoma provide a unique opportunity to study how vertebrate herbivores respond to climate change, as two sister species ( N. bryanti and N. lepida ) independently achieved a major dietary feat – switching to the novel and toxic food source creosote bush ( Larrea tridentata ) – in the aftermath of a natural warming event. To better understand the genetic mechanisms underlying this ability, we employed a trio binning sequencing approach with a N. bryanti × N. lepida F 1 hybrid, resulting in phased, chromosome-level, highly complete, haploid genome assemblies for each species from one individual. Using these new assemblies, we explored the genomic architecture of three cytochrome p450 subfamilies (2A, 2B, and 3A) that play key roles in the metabolism of naturally occurring toxic dietary compounds. We found that woodrats show expansions of all three p450 gene families, including the evolution of multiple novel gene islands within the 2B and 3A subfamilies. Our assemblies demonstrate that trio binning from an F 1 hybrid rodent effectively recovers parental genomes from species that diverged more than a million years ago. Turnover and novelty in detoxification gene islands in herbivores is widespread within distinct p450 subfamilies, and may have provided the crucial substrate for dietary adaptation during environmental change.

Abstract Patterns of genomic architecture across insects remain largely undocumented or decoupled from a broader phylogenetic context. For instance, it is unknown whether translocation rates differ between insect orders? We address broad scale patterns of genome architecture across Insecta by examining synteny in a phylogenetic framework from open source insect genomes. To accomplish this, we add a chromosome level genome to a crucial lineage, Coleoptera. Our assembly of the Pachyrhynchus sulphureomaculatus genome is the first chromosome scale genome for the hyperdiverse Phytophaga lineage and currently the largest insect genome assembled to this scale. The genome is significantly larger than those of other weevils, and this increase in size is caused by repetitive elements. Our results also indicate that, among beetles, there are instances of long-lasting (>200 Ma) localization of genes to a particular chromosome with few translocation events. While some chromosomes have a paucity of translocations, intra-chromosomal synteny was almost absent, with gene order thoroughly shuffled along a chromosome. To place our findings in an evolutionary context, we compared syntenic patterns across Insecta. We find that synteny largely scales with clade age, with younger clades, such as Lepidoptera, having especially high synteny. However, we do find subtle differences in the maintenance of synteny and its rate of decay among the insect orders.

Abstract Several species of luminous bacteria in the genus Photobacterium are the light organ symbionts of teleost fishes. Photobacterium leiognathi and its subspecies, P. mandapamensis , in particular, commonly form bioluminescent symbioses with fish hosts in the Leiognathidae and Acropomatidae families as well as with cardinalfish in the genus Siphamia (Apogonidae). These two closely related lineages of Photobacterium are right at the cutoff average nucleotide identity used to delimit bacterial species (95-96%) and show overlapping ecological niches, including their host fish range. However, there are only a few whole genome assemblies available for these bacterial species, particularly for symbiotic strains isolated from fish light organs, that can be used to explore genome evolution of these two lineages. Here we used Oxford Nanopore Technologies sequencing to produce long reads for assembling highly contiguous genomes of Photobacterium strains isolated from fish light organs, including several P. kishitanii strains isolated from deep water fishes. We were able to assemble 31 high-quality genomes with near complete BUSCO scores, many at the chromosome-level, and compare their gene contents, including plasmid genes. In doing so, we discovered a new candidate species of Photobacterium , Candidatus Photobacterium acropomis , which originated from the light organ of the acropomid fish, Acropoma japonicum . We also describe a lack of congruency between the presence of the luxF gene, which is involved in light production, and the phylogenetic relationships between closely related P. leiognathi and P. mandapamensis strains. In contrast, there was strong congruency between luxF and the host fish family of origin, suggesting this gene might be essential to initiate bioluminescent symbioses with certain hosts, including Siphamia and Acropoma species. Our study shows the benefit of using long reads in the assembly of bacterial genomes and outlines an assembly pipeline that results in highly contiguous genomes, even from low-coverage ONT reads.

Abstract Despite the critical importance of virus disinfection by chlorine, we lack a fundamental understanding of the relative susceptibility of different viruses to chlorine and robust quantitative relationships between virus disinfection rate constants and environmental parameters. We conducted a rapid systematic review of virus inactivation by free chlorine and used the resulting data set to develop a linear mixed model that estimates chlorine inactivation rate constants for viruses based on experimental conditions. Over 550 data points were collected in our systematic review, representing 82 viruses over a broad range of environmental conditions. The harmonized inactivation rate constants under reference conditions (pH = 7.53, T = 20 °C, [Cl - ] < 50 mM) spanned 4 orders of magnitude, ranging from 0.0196 to 1150 L mg -1 min -1 and uncovered important trends between viruses. Whereas common surrogate bacteriophage MS2 does not serve as a conservative chlorine disinfection surrogate for many human viruses, CVB5 was one of the most resistant viruses in the dataset. The model quantifies the role of pH, temperature, and chloride levels across viruses, and an online tool allows users to predict rate constants for viruses and conditions of interest. Results from the model highlighted potential shortcomings in current USEPA disinfection guidelines. Synopsis Viruses must be adequately removed by disinfection processes to protect public health. We review data on virus inactivation of chlorine to determine what concentrations of chlorine are required to remove viruses and whether current regulations are adequately protective.

Ultraconserved genomic elements (UCEs), are generally treated as independent loci in phylogenetic analyses. The identification pipeline for UCE probes is agnostic to genetic identity, only selecting loci that are highly conserved, single copy, without repeats, and of a particular length. Here we characterized UCEs from 12 phylogenomic studies across the animal tree of life, from birds to marine invertebrates. We found that within vertebrate lineages, UCEs are mostly intronic and intergenic, while in invertebrates, the majority are in exons. We then curated 4 different sets of UCE markers by genomic category from 5 different studies including; birds, mammals, fish, Hymenoptera (ants, wasps and bees) and Coleoptera (beetles). Of genes captured by UCEs, we find that many are represented by 2 or more UCEs, corresponding to non-overlapping segments of a single gene. We considered these UCEs to be non-independent, merged all UCEs that belonged to a particular gene, constructed gene and species trees, and then evaluated the subsequent effect of merging co-genic UCEs on gene and species tree reconstruction. Average bootstrap support for merged UCE gene trees were significantly improved across all datasets. Increased loci length appears to drive this increase in bootstrap support. Additionally, we found that gene trees generated from merged UCEs were more accurate than those generated by unmerged and randomly merged UCEs, based on our simulation study. This modest degree of UCE characterization and curation impacts downstream analyses and demonstrates the advantages of incorporating basic genomic characterizations into phylogenomic analyses.

Summary Shortwave infrared (SWIR) imaging provides enhanced tissue penetration and reduced autofluorescence in clinical and pre-clinical applications. However, existing applications often lack the ability to probe chemical composition and molecular specificity without the need for contrast agents. Here, we present a SWIR imaging approach that visualizes spontaneous Raman scattering with remarkable chemical contrast deep within tissue across large fields of view. Our results demonstrate that Raman scattering overcomes autofluorescence as the predominant source of endogenous tissue background at illumination wavelengths as short as 892 nm. We highlight the versatility of SWIR Raman imaging through in vivo monitoring of whole-body tissue composition dynamics and non-invasive detection of fatty liver disease in mice, and identification of calcification and lipids in unfixed human atherosclerotic plaques. Moreover, our approach facilitates the visualization of nerves embedded in fatty tissue, a major advancement for surgical applications. With a simple wide-field setup orthogonal to fluorescence, SWIR Raman imaging holds promise for rapid adoption by clinicians and biologists. This technique opens new possibilities for contrast agent-free visualization of pathophysiology in whole animals and intraoperative imaging in humans. Graphical abstract

Abstract Disinfection strategies are commonly applied to inactivate pathogenic viruses in water, food, air, and on surfaces to prevent the spread of infectious diseases. Determining how quickly viruses are inactivated to mitigate health risks is not always feasible due to biosafety restrictions or difficulties with virus culturability. Therefore, methods that would rapidly predict kinetics of virus inactivation by UV 254 would be valuable, particularly for emerging and difficult-to-culture viruses. We conducted a rapid systematic literature review to collect high-quality inactivation rate constants for a wide range of viruses. Using these data and basic virus information (e.g., genome sequence attributes), we developed and evaluated four different model classes, including linear and non-linear approaches, to find the top performing prediction model. For both the (+) ssRNA and dsDNA virus types, multiple linear regressions were the top performing model classes. In both cases, the cross-validated root mean squared relative prediction errors were similar to those associated with experimental rate constants. We tested the models by predicting and measuring inactivation rate constants for two viruses that were not identified in our systematic review, including a (+) ssRNA mouse coronavirus and a dsDNA marine bacteriophage; the predicted rate constants were within 7% and 71% of the experimental rate constants, respectively. Finally, we applied our models to predict the UV 254 rate constants of several viruses for which high-quality UV 254 inactivation data are not available. Our models will be valuable for predicting inactivation kinetics of emerging or difficult-to-culture viruses.