Abstract Despite only 8% of cattle being found in Europe, European breeds dominate current genetic resources. This adversely impacts cattle research in other important global cattle breeds. To mitigate this issue, we have generated the first assemblies of African breeds, which have been integrated with genomic data for 294 diverse cattle into the first graph genome that incorporates global cattle diversity. We illustrate how this more representative reference assembly contains an extra 116.1Mb (4.2%) of sequence absent from the current Hereford sequence and consequently inaccessible to current studies. We further demonstrate how using this graph genome increases read mapping rates, reduces allelic biases and improves the agreement of structural variant calling with independent optical mapping data. Consequently, we present an improved, more representative, reference assembly that will improve global cattle research.

Abstract In the absence of national control programmes against Rhodesian human African trypanosomiasis, farmer-led treatment of cattle with pyrethroid-based insecticides may be an effective strategy for foci at the edges of wildlife areas, but there is limited evidence to support this. We combined data on insecticide use by farmers, tsetse abundance and trypanosome prevalence with mathematical models to quantify the likely impact of insecticide-treated cattle. Sixteen percent of farmers reported treating cattle with a pyrethroid, and chemical analysis indicated 18% of individual cattle had been treated, in the previous week. Treatment of cattle was estimated to increase daily mortality of tsetse by 5 – 14%. Trypanosome prevalence in tsetse, predominantly from wildlife areas, was 1.25% for T. brucei s.l . and 0.03% for T. b. rhodesiense . For 750 cattle sampled from 48 herds, 2.3% were PCR positive for T. brucei s.l. and none for T. b. rhodesiense . Using mathematical models, we estimated there was 8 – 29% increase in mortality of tsetse in farming areas and this increase can explain the relatively low prevalence of T. brucei s.l. in cattle. Farmer-led treatment of cattle with pyrethroids is likely, in part, to be limiting the spill-over of human-infective trypanosomes from wildlife areas. Author summary The acute form of sleeping sickness in Africa is caused by the parasite Trypanosoma brucei rhodesiense . It is transmitted by tsetse flies and can be maintained in cycles involving both livestock and wildlife as hosts. Humans are incidentally infected and are particularly at risk of infection near protected areas where there are both wildlife and suitable habitat for tsetse. In these regions, the tsetse vector cannot be eradicated, nor can infection be prevented in wildlife. Here we use field studies of tsetse and livestock in combination with mathematical models of tsetse population change and trypanosome transmission to show that use of pyrethroid-based insecticides on cattle by farmers at the edge of protected areas could be contributing to lowering the risk of sleeping sickness in Serengeti District, Tanzania. To our knowledge, our study is the first to report farmer-led tsetse control, co-incident with tsetse decline and relatively low prevalence of T. brucei s.l. in cattle.

Abstract East Coast fever, a tick-borne cattle disease caused by the Theileria parva parasite, is among the biggest natural killers of cattle in East Africa, leading to over 1 million deaths annually. Here we report on the genetic analysis of a cohort of Boran cattle demonstrating heritable tolerance to infection by T. parva ( h 2 = 0.65, s.e. 0.57). Through a linkage analysis we identify a 6 Mb genomic region on Bos taurus chromosome 15 that is significantly associated with survival outcome following T. parva exposure. Testing this locus in an independent cohort of animals replicates this association with survival following T. parva infection. A stop gained polymorphism in this region was found to be highly associated with survival across both related and unrelated animals, with only one of the 20 homozygote carriers (T/T) of this change succumbing to the disease in contrast to 44 out of 97 animals homozygote for the reference allele (C/C). Consequently, we present a genetic locus linked to tolerance of one of Africa’s most important cattle diseases, raising the promise of marker-assisted selection for cattle that are less susceptible to infection by T. parva . Author Summary More than a million cattle die of East Coast fever in Africa each year, the impact of which disproportionately falls onto low-income, smallholder farmers. The lack of a widely accessible vaccine, heavy reliance on chemicals to control the tick vector and inadequate drug treatments means that new approaches for controlling the disease are urgently required. Through a genetic study of an extended pedigree of Boran cattle that are more than three times less likely to succumb to the disease than matched controls, we identify a region on chromosome 15 of the cattle genome associated with a high level of tolerance to the disease. We show that a variant in this region is also associated with survival in an independent cohort, and is linked to rates of cell expansion during infection. This genetic variant can therefore support marker-assisted selection, allowing farmers to breed tolerant cattle and offers a route to introduce this beneficial DNA to non-native breeds, enabling reduced disease incidence and increased productivity, which would be of benefit to millions of rural smallholder farmers across Africa.

Abstract Animal African Trypanosomiasis (AAT) is a debilitating livestock disease prevalent across sub-Saharan Africa, a main cause of which is the protozoan parasite Trypanosoma congolense . In comparison to the well-studied T. brucei , there is a major paucity of knowledge regarding the biology of T. congolense . Here, we use a combination of omics technologies and novel genetic tools to characterise core metabolism in T. congolense mammalian-infective bloodstream-form parasites, and test whether metabolic differences compared to T. brucei impact upon drug sensitivity. Like T. brucei , glycolysis plays a major part in T. congolense energy metabolism. However, the rate of glucose uptake is significantly reduced in T. congolense , with cells remaining viable when cultured in concentrations as low as 2 mM. Instead of pyruvate, the primary glycolytic endpoints are succinate, malate and acetate. Comparative transcriptomics analysis showed higher levels of activity associated with the mitochondrial pyruvate dehydrogenase complex, acetate generation and the succinate shunt in T. congolense . However, based on omics analysis and chemical inhibition, there does not appear to be significant levels of oxidative phosphorylation. Stable-isotope labelling of glucose enabled the comparison of carbon usage between T. brucei and T. congolense , highlighting differences in nucleotide and fatty acid metabolism. To validate the metabolic similarities and differences, both species were treated with pharmacological inhibitors, confirming a lack of essential electron transport chain activity in T. congolense, but increased sensitivity to inhibition of mitochondrial pyruvate import. Strikingly, T. congolense exhibited significant resistance to inhibitors of fatty acid synthesis, including a 780-fold greater EC 50 against the lipase and fatty acid synthase inhibitor Orlistat, compared to T. brucei . These data highlight that bloodstream form T. congolense diverges from T. brucei in key areas of metabolism, with several features that are intermediate between bloodstream- and insect-stage T. brucei . These results have implications for drug development, mechanisms of drug resistance and host-pathogen interactions.

The African buffalo (Syncerus caffer) is a wild bovid with a historical distribution across much of sub-Saharan Africa. Genomic analysis can provide insights into the evolutionary history of the species, and the key selective pressures shaping populations, including assessment of population level differentiation, population fragmentation, and population genetic structure. In this study we generated the highest quality de novo genome assembly (2.65 Gb, scaffold N50 69.17 Mb) of African buffalo to date, and sequenced a further 195 genomes from across the species distribution. Principal component and admixture analyses provided surprisingly little support for the currently described four subspecies, but indicated three main lineages, in Western/Central, Eastern and Southern Africa, respectively. Estimating Effective Migration Surfaces analysis suggested that geographical barriers have played a significant role in shaping gene flow and the population structure. Estimated effective population sizes indicated a substantial drop occurring in all populations 5-10,000 years ago, coinciding with the increase in human populations. Finally, signatures of selection were enriched for key genes associated with the immune response, suggesting infectious disease exert a substantial selective pressure upon the African buffalo. These findings have important implications for understanding bovid evolution, buffalo conservation and population management.

Antigenic variation is employed by many pathogens to evade the host immune response, and Trypanosoma brucei has evolved a complex system to achieve this phenotype, involving sequential use of variant surface glycoprotein (VSG) genes encoded from a large repertoire of ~2,000 alleles. T. brucei express multiple, sometimes closely related, VSGs in a population at any one time, and the ability to resolve and analyse this diversity has been limited. We applied long read sequencing (PacBio) to VSG amplicons generated from blood extracted from batches of mice sacrificed at time points (days 3, 6, 10 and 12) post-infection with T. brucei TREU927. The data showed that long read sequencing is reliable for resolving allelic differences between VSGs, and demonstrated that there is significant expressed diversity (449 VSGs detected across 20 mice) and across the timeframe of study there was a clear semi-reproducible pattern of expressed diversity (median of 27 VSGs per sample at day 3 post infection (p.i.), 82 VSGs at day 6 p.i., 187 VSGs at day 10 p.i. and 132 VSGs by day 12 p.i.). There was also consistent detection of one VSG dominating expression across replicates at days 3 and 6, and emergence of a second dominant VSG across replicates by day 12. The innovative application of ecological diversity analysis to VSG reads enabled characterisation of hierarchical VSG expression in the dataset, and resulted in a novel method for analysing such patterns of variation. Additionally, the long read approach allowed detection of mosaic VSG expression from very few reads - this was observed as early as day 3, the earliest that such events have been detected. Therefore, our results indicate that long read analysis is a reliable tool for resolving diverse allele expression profiles, and provides novel insights into the complexity and nature of VSG expression in trypanosomes, revealing significantly higher diversity than previously shown and identifying mosaic gene formation unprecedentedly early during the infection process.

Bacterial flagella have many established roles beyond swimming motility. Despite clear evidence of flagella-dependent adherence, the specificity of ligands and mechanisms of binding are still debated. In this study, the molecular basis of E. coli O157:H7 and S. Typhimurium flagella binding to epithelial cell cultures was investigated. Flagella interactions with host cell surfaces were intimate and crossed cellular boundaries as demarcated by actin and membrane labelling. SEM revealed flagella disappearing into cellular surfaces and TEM of S. Typhiumurium indicated host membrane deformation and disruption in proximity to flagella. Motor mutants of E. coli O157:H7 and S. Typhimurium caused reduced haemolysis compared to wild-type, indicating that membrane disruption was in part due to flagella rotation. Flagella from E. coli O157 (H7), EPEC O127 (H6), and S. Typhimurium (P1 & P2 flagella) were shown to bind to purified intracellular components of the actin cytoskeleton and directly increase in vitro actin polymerisation rates.