Abstract The structure of the contact network between individuals has a profound effect on the transmission of infectious disease. Using a novel technology – proximity sensing radio collars – we described the contact network in a population of Tasmanian devils. This largest surviving marsupial carnivore is threatened by a novel infectious cancer. All devils were connected in a single giant component, which would permit disease to spread throughout the network from any single infected individual. Unlike the contact networks for many human diseases, the degree distribution was not highly aggregated. Nevertheless, the empirically derived networks differed from random networks. Contact networks differed between the mating and non‐mating seasons, with more extended male–female associations in the mating season and a greater frequency of female–female associations outside the mating season. Our results suggest that there is limited potential to control the disease by targeting highly connected age or sex classes.

Abstract Although cancer rarely acts as an infectious disease, a recently emerged transmissible cancer in Tasmanian devils ( Sarcophilus harrisii ) is virtually 100% fatal. Devil facial tumour disease (DFTD) has swept across nearly the entire species’ range, resulting in localized declines exceeding 90% and an overall species decline of more than 80% in less than 20 years. Despite epidemiological models that predict extinction, populations in long-diseased sites persist. Here we report rare genomic evidence of a rapid, parallel evolutionary response to strong selection imposed by a wildlife disease. We identify two genomic regions that contain genes related to immune function or cancer risk in humans that exhibit concordant signatures of selection across three populations. DFTD spreads between hosts by suppressing and evading the immune system, and our results suggest that hosts are evolving immune-modulated resistance that could aid in species persistence in the face of this devastating disease.

Abstract Landscape genomics studies focus on identifying candidate genes under selection via spatial variation in abiotic environmental variables, but rarely by biotic factors such as disease. The Tasmanian devil ( Sarcophilus harrisii ) is found only on the environmentally heterogeneous island of Tasmania and is threatened with extinction by a nearly 100% fatal, transmissible cancer, devil facial tumor disease (DFTD). Devils persist in regions of long-term infection despite epidemiological model predictions of species’ extinction, suggesting possible adaptation to DFTD. Here, we test the extent to which spatial variation and genetic diversity are associated with the abiotic environment and/or by DFTD. We employ genetic-environment association (GEAs) analyses using a RAD-capture panel consisting of 6,886 SNPs from 3,286 individuals sampled pre- and post-disease arrival. Pre-disease, we find significant correlations of allele frequencies with environmental variables, including 349 unique loci linked to 64 genes, suggesting local adaptation to abiotic environment. Following DFTD arrival, however, we detected few of the pre-disease candidate loci, but instead frequencies of candidate loci linked to 14 genes correlated with disease prevalence. Loss of apparent signal of abiotic local adaptation following disease arrival suggests swamping by the strong selection imposed by DFTD. Further support for this result comes from the fact that post-disease candidate loci are in linkage disequilibrium with genes putatively involved in immune response, tumor suppression and apoptosis. This suggests the strength GEA associations of loci with the abiotic environment are swamped resulting from the rapid onset of a biotic selective pressure.

Abstract Tasmanian devils have spawned two transmissible cancer lineages, named devil facial tumour 1 (DFT1) and devil facial tumour 2 (DFT2). We investigated the genetic diversity and evolution of these clones by analysing 78 DFT1 and 41 DFT2 genomes relative to a newly assembled chromosome-level reference. Time-resolved phylogenetic trees reveal that DFT1 first emerged in 1986 (1982-1989), and DFT2 in 2011 (2009-2012). Subclone analysis documents transmission of heterogeneous cell populations. DFT2 has faster mutation rates than DFT1 across all variant classes, including substitutions, indels, rearrangements, transposable element insertions and copy number alterations, and we identify a hypermutated DFT1 lineage with defective DNA mismatch repair. Several loci show plausible evidence of positive selection in DFT1 or DFT2, including loss of chromosome Y and inactivation of MGA , but none are common to both cancers. This study illuminates the parallel long-term evolution of two transmissible cancers inhabiting a common niche in Tasmanian devils.

Abstract Tasmanian devils ( Sarcophilus harrisii ) are evolving in response to a unique transmissible cancer, devil facial tumour disease (DFTD), first described in 1996. Persistence of wild populations and the recent emergence of a second independently evolved transmissible cancer suggest that transmissible cancers may be a recurrent feature in devils. Here we compared signatures of selection across temporal scales to determine whether genes or gene pathways under contemporary selection (6-8 generations) have also been subject to historical selection (65-85 million years), and test for recurrent selection in devils. First, we used a targeted sequencing approach, RAD-capture, to identify genomic regions subject to rapid evolution in approximately 2,500 devils in six populations as DFTD spread across the species range. We documented genome-wide contemporary evolution, including 186 candidate genes related to cell cycling and immune response. Then we used a molecular evolution approach to identify historical positive selection in devils compared to other marsupials and found evidence of selection in 1,773 genes. However, we found limited overlap across time scales, with historical selection detected in only 16 contemporary candidate genes, and no overlap in enriched functional gene sets. Our results are consistent with a novel, multi-locus evolutionary response of devils to DFTD. Our results can inform management actions to conserve adaptive potential of devils by identifying high priority targets for genetic monitoring and maintenance of functional diversity in managed populations.

Abstract Predicting what factors promote or protect populations from infectious disease is a fundamental epidemiological challenge. Social networks, where nodes represent hosts and edges represent direct or indirect contacts between them, are important in quantifying these aspects of infectious disease dynamics. However, how network structure and epidemic parameters interact in empirical networks to promote or protect animal populations from infectious disease remains a challenge. Here we draw on advances in spectral graph theory and machine learning to build predictive models of pathogen spread on a large collection of empirical networks from across the animal kingdom. We show that the spectral features of an animal network are powerful predictors of pathogen spread for a variety of hosts and pathogens and can be a valuable proxy for the vulnerability of animal networks to pathogen spread. We validate our findings using interpretable machine learning techniques and provide a flexible web application for animal health practitioners to assess the vulnerability of a particular network to pathogen spread.

The eastern quoll (Dasyurus viverrinus) is an endangered marsupial native to Australia. Since the extirpation of its mainland populations in the 20th century, wild eastern quolls have been restricted to two islands at the southern end of their historical range. Eastern quolls are the subject of captive breeding programs and attempts have been made to re-establish a population in mainland Australia. However, few resources currently exist to guide the genetic management of this species. Here, we generated a reference genome for the eastern quoll with gene annotations supported by multi-tissue transcriptomes. Our assembly is among the most complete marsupial genomes currently available. Using this assembly, we infer the species' demographic history, identifying potential evidence of a long-term decline beginning in the late Pleistocene. Finally, we identify a deletion at the ASIP locus that likely underpins pelage color differences between the eastern quoll and the closely related Tasmanian devil (Sarcophilus harrisii).

Abstract The identification of practical early diagnosis biomarkers is a cornerstone of improved prevention and treatment of cancers. Such a case is devil facial tumour disease (DFTD), a highly lethal transmissible cancer afflicting virtually an entire species, the Tasmanian devil ( Sarcophilus harrisii ). Despite a latent period that can exceed one year, to date DFTD diagnosis requires visual identification of tumour lesions. To enable earlier diagnosis, which is essential for the implementation of effective conservation strategies, we analysed the extracellular vesicle (EV) proteome of 87 Tasmanian devil serum samples. The antimicrobial peptide cathelicidin-3 (CATH3) was enriched in serum EVs of both devils with clinical DFTD (87.9% sensitivity and 94.1% specificity) and devils with latent infection (i.e., collected while overtly healthy, but 3-6 months before subsequent DFTD diagnosis; 93.8% sensitivity and 94.1% specificity). As antimicrobial peptides can play a variety of roles in the cancer process, our results suggest that the specific elevation of serum EV-associated CATH3 may be mechanistically involved in DFTD pathogenesis. This EV-based approach to biomarker discovery is directly applicable to improving understanding and diagnosis of a broad range of diseases in other species, and these findings directly enhance the capacity of conservation strategies to ensure the viability of the imperilled Tasmanian devil population.

Abstract Growing evidence indicates that human activities are causing cancer rates to rise in both human and wildlife populations. This is due to the inability of ancestral anti‐cancer defences to cope with modern environmental risks. The evolutionary mismatch between modern oncogenic risks and evolved cancer defences has far‐reaching effects on various biological aspects at different timeframes, demanding a comprehensive study of the biology and evolutionary ecology of the affected species. Firstly, the increased activation of anti‐cancer defences leads to excessive energy expenditure, affecting other biological functions and potentially causing health issues like autoimmune diseases. Secondly, tumorigenesis itself can impact important fitness‐related parameters such as competitiveness, predator evasion, resistance to parasites, and dispersal capacity. Thirdly, rising cancer risks can influence the species' life‐history traits, often favoring early reproduction to offset fitness costs associated with cancer. However, this strategy has its limits, and it may not ensure the sustainability of the species if cancer risks continue to rise. Lastly, some species may evolve additional anti‐cancer defences, with uncertain consequences for their biology and future evolutionary path. In summary, we argue that the effects of increased exposure to cancer‐causing substances on wildlife are complex, ranging from immediate responses to long‐term evolutionary changes. Understanding these processes, especially in the context of conservation biology, is urgently needed.

Lead-based ammunition is a significant source of environmental lead and threatens species that scavenge lead-shot carcasses, particularly in areas with intensive shooting. With the impacts of lead on avian scavengers well established, there is increasing focus on the effects of lead on mammalian scavengers. We investigated lead exposure in a morphologically specialized mammalian scavenger, the Tasmanian devil (Sarcophilus harrisii), by analyzing their blood lead levels (BLLs) before and after a marsupial culling program using linear mixed effects models. We compared lead isotope signatures in devil blood to those in the culling ammunition to inform potential source attributions. We sampled 23 devils before culling and 15 after culling, finding no significant difference in mean BLLs pre and post-culling. However, devils captured closer to forestry coupes where culling had occurred had higher BLLs, and a greater proportion of devils displayed elevated BLLs post-culling (33 % compared to 18 % pre-culling). The highest BLL (7.93 μg/dL) was found in a devil post-culling and this individual had lead isotope signatures that matched the ammunition samples analyzed, suggesting the individual was exposed to lead from scavenging on culled carcasses. While 18 % of the devil blood lead samples had isotope signatures consistent with the ammunition samples, most were measurably different, indicating other sources of lead in the landscape. BLLs in our study landscape were similar to published BLLs for wild devils across Tasmania. That said, lead isotope signatures in the blood of individual devils sampled both before and after culling shifted closer to those of ammunition samples post-culling. Our results indicate that while some individual devils may have been exposed to lead from culling, most devils in the landscape did not show evidence of recent exposure. However, even low lead levels can adversely impact wildlife health and immunity, a particular concern for devils, a species endangered by disease.