BackgroundPublic trust in immunization is an increasingly important global health issue. Losses in confidence in vaccines and immunization programmes can lead to vaccine reluctance and refusal, risking disease outbreaks and challenging immunization goals in high- and low-income settings. National and international immunization stakeholders have called for better monitoring of vaccine confidence to identify emerging concerns before they evolve into vaccine confidence crises.MethodsWe perform a large-scale, data-driven study on worldwide attitudes to immunizations. This survey – which we believe represents the largest survey on confidence in immunization to date – examines perceptions of vaccine importance, safety, effectiveness, and religious compatibility among 65,819 individuals across 67 countries. Hierarchical models are employed to probe relationships between individual- and country-level socio-economic factors and vaccine attitudes obtained through the four-question, Likert-scale survey.FindingsOverall sentiment towards vaccinations is positive across all 67 countries, however there is wide variability between countries and across world regions. Vaccine-safety related sentiment is particularly negative in the European region, which has seven of the ten least confident countries, with 41% of respondents in France and 36% of respondents in Bosnia & Herzegovina reporting that they disagree that vaccines are safe (compared to a global average of 13%). The oldest age group (65+) and Roman Catholics (amongst all faiths surveyed) are associated with positive views on vaccine sentiment, while the Western Pacific region reported the highest level of religious incompatibility with vaccines. Countries with high levels of schooling and good access to health services are associated with lower rates of positive sentiment, pointing to an emerging inverse relationship between vaccine sentiments and socio-economic status.ConclusionsRegular monitoring of vaccine attitudes – coupled with monitoring of local immunization rates – at the national and sub-national levels can identify populations with declining confidence and acceptance. These populations should be prioritized to further investigate the drivers of negative sentiment and to inform appropriate interventions to prevent adverse public health outcomes.

Abstract The fate of new mitochondrial and plastid mutations depends on their ability to persist and spread among the numerous organellar genome copies within a cell (heteroplasmy). The extent to which heteroplasmies are transmitted across generations or eliminated through genetic bottlenecks is not well understood in plants, in part because their low mutation rates make these variants so infrequent. Disruption of MutS Homolog 1 ( MSH1 ), a gene involved in plant organellar DNA repair, results in numerous de novo point mutations, which we used to quantitatively track the inheritance of single nucleotide variants in mitochondrial and plastid genomes in Arabidopsis. We found that heteroplasmic sorting (the fixation or loss of a variant) was rapid for both organelles, greatly exceeding rates observed in animals. In msh1 mutants, plastid variants sorted faster than those in mitochondria and were typically fixed or lost within a single generation. Effective transmission bottleneck sizes for plastids and mitochondria were N ≈ 1 and 4, respectively. Restoring MSH1 function further increased the rate of heteroplasmic sorting in mitochondria ( N ≈ 1.3), potentially due to its hypothesized role in promoting gene conversion as a mechanism of DNA repair, which is expected to homogenize genome copies within a cell. Heteroplasmic sorting also favored GC base pairs. Therefore, recombinational repair and gene conversion in plant organellar genomes can potentially accelerate the elimination of heteroplasmies and bias the outcome of this sorting process. Significance statement Mitochondria and plastids play essential roles in eukaryotic life; thus, mutations in these organellar genomes can have severe consequences. In animals, early germline sequestration creates genetic “bottlenecks” providing cell-to-cell variance in mitochondrial mutations upon which selection can act. However, the dynamics of organellar mutations in plants and other organisms that lack early germline segregation remain unclear. Here, we show that sorting of mutations in plant organellar genomes proceeds very rapidly – much faster than in animals. In mitochondria, this process is accelerated by MSH1, a gene involved in recombination and repair of organellar genomes. This suggests that in plants, recombinational repair creates cell-to-cell variance in the frequency of organellar mutations, facilitating selection in the absence of a classical germline bottleneck.

Abstract Mitochondria and plastids power complex life, and retain their own organelle DNA (oDNA) genomes, with highly reduced gene contents compared to their endosymbiont ancestors. Why some protein-coding genes are retained in oDNA and some lost remains a debated question. Here we harness over 15k oDNA sequences and over 300 whole genome sequences with tools from structural biology, bioinformatics, machine learning, and Bayesian model selection to reveal the properties of genes, and associated underlying mechanisms, that shape oDNA evolution. Striking symmetry exists between the two organelle types: gene retention patterns in both are predicted by the hydrophobicity of a protein product and its energetic centrality within its protein complex, with additional influences of nucleic acid and amino acid biochemistry. Remarkably, retention principles from one organelle type successfully and quantitatively predict retention in the other, supporting this universality; these principles also distinguish gene profiles in independent endosymbiotic relationships. The identification of these features shaping organelle gene retention both provides quantitative support for several existing evolutionary hypotheses, and suggests new biochemical and biophysical mechanisms influencing organelle genome evolution.

Engineers routinely design systems to be modular and symmetric in order to increase robustness to perturbations and to facilitate alterations at a later date. Biological structures also frequently exhibit modularity and symmetry, but the origin of such trends is much less well understood. It can be tempting to assume – by analogy to engineering design – that symmetry and modularity arise from natural selection. But evolution, unlike engineers, cannot plan ahead, and so these traits must also afford some immediate selective advantage which is hard to reconcile with the breadth of systems where symmetry is observed. Here we introduce an alternative non-adaptive hypothesis based on an algorithmic picture of evolution. It suggests that symmetric structures preferentially arise not just due to natural selection, but also because they require less specific information to encode, and are therefore much more likely to appear as phenotypic variation through random mutations. Arguments from algorithmic information theory can formalise this intuition, leading to the prediction that many genotype-phenotype maps are exponentially biased towards phenotypes with low descriptional complexity. A preference for symmetry is a special case of this bias towards compressible descriptions. We test these predictions with extensive biological data, showing that that protein complexes, RNA secondary structures, and a model gene-regulatory network all exhibit the expected exponential bias towards simpler (and more symmetric) phenotypes. Lower descriptional complexity also correlates with higher mutational robustness, which may aid the evolution of complex modular assemblies of multiple components.

Summary Mitochondria form highly dynamic populations in the cells of plants (and all eukaryotes). The characteristics of this collective behaviour, and how it is influenced by nuclear features, remain to be fully elucidated. Here, we use a recently-developed quantitative approach to reveal and analyse the physical and collective “social” dynamics of mitochondria in an Arabidopsis msh1 mutant where organelle DNA maintenance machinery is compromised. We use a newly-created line combining the msh1 mutant with mitochondrially-targeted GFP, and characterise mitochondrial dynamics with a combination of single-cell timelapse microscopy, computational tracking and network analysis. The collective physical behaviour of msh1 mitochondria is altered from wildtype in several ways: mitochondria become less evenly spread, and networks of inter-mitochondrial encounters become more connected with greater potential efficiency for inter-organelle exchange. We find that these changes are similar to those observed in friendly , where mitochondrial dynamics are altered by a physical perturbation, suggesting that this shift to higher connectivity may reflect a general response to mitochondrial challenges.

Abstract Mitochondria and plastids rely on many nuclear-encoded genes, but retain small subsets of the genes they need to function in their own organelle DNA (oDNA). Different species retain different numbers of oDNA genes, and the reasons for these differences are not completely understood. Here we use a mathematical model to explore the hypothesis that the energetic demands imposed by an organism’s changing environment influence how many oDNA genes it retains. The model couples the physical biology of cell processes of gene expression and transport to a supply-and-demand model for the environmental dynamics to which an organism is exposed. The tradeoff between fulfilling metabolic and bioenergetic environmental demands, and retaining genetic integrity, is quantified for a generic gene encoded either in oDNA or in nuclear DNA. Species in environments with high-amplitude, intermediate-frequency oscillations are predicted to retain the most organelle genes, whereas those in less dynamic or noisy environments the fewest. We discuss support for, and insight from, these predictions with oDNA data across eukaryotic taxa, including high oDNA gene counts in sessile organisms exposed to day-night and intertidal oscillations (including plants and algae) and low counts in parasites and fungi.

Abstract Mitochondria are highly dynamic organelles, containing vital populations of mitochondrial DNA (mtDNA) distributed throughout the cell. Mitochondria form diverse physical structures in different cells, from cell-wide reticulated networks to fragmented individual organelles. These physical structures are known to influence the genetic makeup of mtDNA populations between cell divisions, but their influence on the inheritance of mtDNA at divisions remains less understood. Here, we use statistical and computational models of mtDNA content inside and outside the reticulated network to quantify how mitochondrial network structure can control the variances of inherited mtDNA copy number and mutant load. We assess the use of moment-based approximations to describe heteroplasmy variance and identify several cases where such an approach has shortcomings. We show that biased inclusion of one mtDNA type in the network can substantially increase heteroplasmy variance (acting as a genetic bottleneck), and controlled distribution of network mass and mtDNA through the cell can conversely reduce heteroplasmy variance below a binomial inheritance picture. Network structure also allows the generation of heteroplasmy variance while controlling copy number inheritance to sub-binomial levels, reconciling several observations from the experimental literature. Overall, different network structures and mtDNA arrangements within them can control the variances of key variables to suit a palette of different inheritance priorities.

Abstract Sexual eukaryotes have diverse mechanisms preventing the biparental inheritance of mitochondria and plastids, and reducing the coexistence of dissimilar organelle DNA (heteroplasmy). Nevertheless, paternal leakage often occurs in plants, fungi, protists and animals, and this leaves the possibility that heteroplasmy can in some contexts be advantageous. Theoretical models developed in the past revealed that maternal inheritance improves selection against deleterious mitochondrial mutations, but none of them have explained the observed variation in the extent of paternal leakage. Here we show that paternal leakage regulated by nuclear loci can evolve to maintain advantageous organelle diversity in fluctuating environments. Strict maternal inheritance reduces organelle variance within the cell, but this loss of diversity can be detrimental when environments are shifting rapidly. Our model reveals that high levels of paternal leakage can evolve in these types of rapidly changing environments and that strict maternal inheritance evolves only when the environment is changing slowly. Data Matlab/Octave implementation of the model is available at Https://github.com/StochasticBiology/PaternalLeakageEvolution .

Abstract Increasing CO 2 levels are a major global challenge, and the extent to which increasing anthropogenic CO 2 emissions can be mitigated by natural carbon sinks remains poorly understood. The uptake of elevated CO 2 (eCO 2 ) by the terrestrial biosphere, and subsequent sequestration as biomass in ecosystems, may act as a negative feedback in the carbon budget, but remains hard to quantify in natural ecosystems. Here, we combine large-scale field observations of fine root stocks and flows, derived from belowground imaging and soil cores, with image analysis, stochastic modelling, and statistical inference, to elucidate belowground root dynamics in a mature temperate deciduous forest under free-air CO 2 enrichment to 150ppm above ambient levels. Using over 67 k frames of belowground observation, we observe that eCO 2 leads to relatively faster root production (a peak volume fold change of 4.52 ± 0.44 eCO 2 versus 2.58 ± 0.21 control). We identify an increase in existing root elongation relative to root mass decay as the likely causal mechanism for this acceleration. Direct physical analysis of biomass and width measurements from 552 root systems recovered from soil cores support this picture, with lengths and widths of fine roots significantly increasing under eCO 2 . We use dynamic measurements to estimate fine root contributions to net primary productivity, finding an increase under eCO 2 , with an estimated mean annual 204 ± 93 g dw m −2 yr −1 eCO 2 versus 140 ± 60 g dw m −2 yr −1 control. We also quantify and discuss the uncertainties in such productivity measurements. This multi-faceted approach thus sheds quantitative light on the challenging characterisation of the eCO 2 response of root biomass in mature temperate forests.

Abstract Organelle DNA (oDNA) in mitochondria and plastids is vital for plant (and eukaryotic) life. Selection against damaged oDNA is mediated in part by segregation – the sorting of different oDNA types into different cells in the germline. Plants segregate oDNA very rapidly, with oDNA recombination protein MutS Homolog 1 (MSH1), a key driver of this segregation, but in contrast to mammals, we have very limited knowledge of the dynamics of this segregation within plants and between generations. Here, we combine stochastic modelling with tissue-specific heteroplasmy measurements to reveal the trajectories of oDNA segregation in Arabidopsis thaliana development and reproduction. We obtain and use new experimental observations of oDNA through development to confirm and refine the predictions of the theory inferred from existing measurements. Ongoing segregation proceeds gradually but continually during plant development, with a more rapid increase between inflorescence formation and the establishment of the next generation. When MSH1 is compromised, we show that the majority of observed segregation could be achieved through partitioning at cell divisions. When MSH1 is functional, mtDNA segregation is far more rapid than can be achieved through cell divisions; we show that increased oDNA gene conversion is a plausible mechanism quantitatively explaining this acceleration. We also discuss the support for different models of the plant germline provided by these observations.