Abstract Grass pollen is the world’s most harmful outdoor aeroallergen and sensitivity varies between species. Different species of grass flower at different times, but it is not known how airborne communities of grass pollen change in time and space. Persistence and high mobility of grass pollen could result in increasingly diverse seasonal pollen communities. Conversely, if grass pollen does not persist for an extended time in the air, shifting pollen communities would be predicted throughout the summer months. Here, using targeted high throughput sequencing, we tracked the seasonal progression of airborne Poaceae pollen biodiversity across Britain, throughout the grass allergy season. All grass genera displayed discrete, temporally restricted peaks of pollen incidence which varied with latitude, revealing that the taxonomic composition of grass pollen exposure changes substantially across the allergy season. By developing more refined aeroallergen profiling, we predict that our findings will facilitate the exploration of links between taxon-specific exposure of harmful grass pollen and disease, with concomitant socio-economic benefits.

Understanding the relationship between genome, phenotypic variation, and the ecological pressures that act to maintain that variation, represents a fundamental challenge in evolutionary biology. Functional polymorphisms typically segregate in spatially isolated populations [1, 2] and/or discrete ecological conditions [3-5], whereas dissecting the evolutionary processes involved in adaptive geographic variation across a continuous spatial distribution is much more challenging [6]. Additionally, pleiotropic interactions between genes and phenotype often complicate the identification of specific genotype-phenotype links [7-8], and thus of the selective pressures acting on them. Animal venoms are ideal systems to overcome these constraints: they are complex and variable, yet easily quantifiable molecular phenotypes with a clear function and a direct link to both genome and fitness [9]. Here, we use dense and widespread population-level sampling of the Mohave rattlesnake, Crotalus scutulatus, and show that genomic structural variation at multiple loci underlies extreme geographic variation in venom composition, which is maintained despite extensive gene flow. Unexpectedly, selection for diet does not explain venom variation, contrary to the dominant paradigm of venom evolution, and neither does neutral population structure caused by past vicariance. Instead, different toxin genes correlate with distinct environmental factors, suggesting that divergent selective pressures can act on individual loci independently of their genomic proximity or co-expression patterns. Local-scale spatial heterogeneity thus appears to maintain a remarkably ancient complex of molecular phenotypes, which have been retained in populations that diverged more than 1.5-2 MYA, representing an exceptional case of long-term structural polymorphism. These results emphasize how the interplay between genomic architecture and spatial heterogeneity in selective pressures may facilitate the retention of functional polymorphisms of an adaptive phenotype.

The gene regulatory mechanisms underlying the rapid replenishment of snake venom following expenditure are currently unknown. Using a comparative transcriptomic approach we find that venomous and non-venomous species produce similar numbers of secreted products in their venom or salivary glands and that only one transcription factor (Tbx3) is expressed in venom glands but not salivary glands. We also find evidence for temporal variation in venom production. We have generated a draft genome sequence for the painted saw-scaled viper, Echis coloratus, and identified conserved transcription factor binding sites in the upstream regions of venom genes. We find binding sites to be conserved across members of the same gene family, but not between gene families, indicating that multiple gene regulatory networks are involved in venom production. Finally, we suggest that negative regulation may be important for rapid activation of the venom replenishment cycle.

Background Understanding the evolution of the vertebrate pancreas is key to understanding its functions. The chondrichthyes (cartilaginous fish such as sharks and rays) have been suggested to possess the most ancient example of a distinct pancreas with both hormonal (endocrine) and digestive (exocrine) roles, although the lack of genetic, genomic and transcriptomic data for cartilaginous fish has hindered a more thorough understanding of the molecular-level functions of the chondrichthyan pancreas, particularly with respect to their “unusual” energy metabolism (where ketone bodies and amino acids are the main oxidative fuel source) and their paradoxical ability to both maintain stable blood glucose levels and tolerate extensive periods of hypoglycemia. In order to shed light on some of these processes we have carried out the first large-scale comparative transcriptomic survey of multiple cartilaginous fish tissues: the pancreas, brain and liver of the lesser spotted catshark, Scyliorhinus canicula. Results We generated a mutli-tissue assembly comprising 86,006 contigs, of which 44,794 were assigned to a particular tissue or combination of tissue based on mapping of sequencing reads. We have characterised transcripts encoding genes involved in insulin regulation, glucose sensing, transcriptional regulation, signaling and digestion, as well as many peptide hormone precursors and their receptors for the first time. Comparisons to published mammalian pancreas transcriptomes reveals that mechanisms of glucose sensing and insulin regulation used to establish and maintain a stable internal environment are conserved across jawed vertebrates and likely pre-date the vertebrate radiation. Conservation of pancreatic hormones and genes encoding digestive proteins support the single, early evolution of a distinct pancreatic gland with endocrine and exocrine functions in vertebrates, although the peptide diversity of the early vertebrate pancreas has been overestimated as a result of the use of cross-reacting antisera in earlier studies. A three hormone islet organ is therefore the basal vertebrate condition, later elaborated upon only in the tetrapod lineage. Conclusions The cartilaginous fish are a great untapped resource for the reconstruction of patterns and processes of vertebrate evolution and new approaches such as those described in this paper will greatly facilitate their incorporation into the rank of “model organism”.

Influenza C is not included in the annual seasonal influenza vaccine, and has historically been regarded as a minor respiratory pathogen. However, recent work has highlighted its potential role as a cause of pneumonia in infants. We performed nasopharyngeal or nasal swabbing and/or serum sampling (n=148) in Lancaster, UK, over the winter of 2014-2015. Using enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), we estimated a seropositivity of 77%. By contrast, only 2 individuals, both asymptomatic adults, were influenza C-positive by polymerase chain reaction (PCR). Deep sequencing of nasopharyngeal samples produced partial sequences for 4 genome segments in one of these patients. Bayesian phylogenetic analysis demonstrated that the influenza C genome from this individual is evolutionarily distant to those sampled in recent years and represents a novel genome constellation, indicating that it is a product of a decades-old reassortment event. Although we find no evidence that influenza C was a significant respiratory pathogen during the winter of 2014-2015 in Lancaster, we confirm previous observations of seropositivity in the majority of the population. We calculate that this level of herd immunity would be sufficient to suppress epidemics of influenza C and restricts the virus to sporadic endemic spread.

Snake venom has been hypothesised to have originated and diversified via a process that involves duplication of genes encoding body proteins with subsequent recruitment of the copy to the venom gland, where natural selection acts to develop or increase toxicity. However, gene duplication is known to be a rare event in vertebrate genomes and the recruitment of duplicated genes to a novel expression domain (neofunctionalisation) is an even rarer process that requires the evolution of novel combinations of transcription factor binding sites in upstream regulatory regions. Therefore, whilst this hypothesis concerning the evolution of snake venom is therefore very unlikely and should be regarded with caution, it is nonetheless often assumed to be established fact, hindering research into the true origins of snake venom toxins. To critically evaluate this hypothesis we have generated transcriptomic data for body tissues and salivary and venom glands from five species of venomous and non-venomous reptiles. Our comparative transcriptomic analysis of these data reveals that snake venom does not evolve via the hypothesised process of duplication and recruitment of genes encoding body proteins. Indeed, our results show that many proposed venom toxins are in fact expressed in a wide variety of body tissues, including the salivary gland of non-venomous reptiles and that these genes have therefore been restricted to the venom gland following duplication, not recruited. Thus snake venom evolves via the duplication and subfunctionalisation of genes encoding existing salivary proteins. These results highlight the danger of the elegant and intuitive ?just-so story? in evolutionary biology.