Fusarium species are among the most important phytopathogenic and toxigenic fungi. To understand the molecular underpinnings of pathogenicity in the genus Fusarium, we compared the genomes of three phenotypically diverse species: Fusarium graminearum, Fusarium verticillioides and Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici. Our analysis revealed lineage-specific (LS) genomic regions in F. oxysporum that include four entire chromosomes and account for more than one-quarter of the genome. LS regions are rich in transposons and genes with distinct evolutionary profiles but related to pathogenicity, indicative of horizontal acquisition. Experimentally, we demonstrate the transfer of two LS chromosomes between strains of F. oxysporum, converting a non-pathogenic strain into a pathogen. Transfer of LS chromosomes between otherwise genetically isolated strains explains the polyphyletic origin of host specificity and the emergence of new pathogenic lineages in F. oxysporum. These findings put the evolution of fungal pathogenicity into a new perspective. Fungi of the genus Fusarium are important plant pathogens, causing various blights, root rots and wilts. While some species have a wide host range, others are more selective. Comparative genomics of three Fusarium fungi with broad and narrow host range, two newly sequenced, provide clues as to what drives these differences. Experimental follow-up shows that simply by mixing two strains on standard growth medium, transfer of two whole chromosomes from a Fusarium oxysporum tomato pathogen turns a nonpathogenic strain into a pathogenic one. These findings shed light on the evolution of host range and pathogenicity. Fungi from the genus Fusarium are important pathogens of animals and crop plants. Some have a wide host range, whereas others are more specific in the organisms they infect. Here, clues are provided as to how differences in specificity come about. The genomes of two Fusarium fungi with differing host ranges have been sequenced, and compared with the genome of a third species. Experiments show that transferring two whole chromosomes turns a non-pathogenic Fusarium strain into a pathogenic one.

Evolution of Ebola virus over time The high rate of mortality in the current Ebola epidemic has made it difficult for researchers to collect samples of the virus and study its evolution. Gire et al. describe Ebola epidemiology on the basis of 99 whole-genome sequences, including samples from 78 affected individuals. The authors analyzed changes in the viral sequence and conclude that the current outbreak probably resulted from the spread of the virus from central Africa in the past decade. The outbreak started from a single transmission event from an unknown animal reservoir into the human population. Two viral lineages from Guinea then spread from person to person into Sierra Leone. Science , this issue p. 1369

Rare coding variation has historically provided the most direct connections between gene function and disease pathogenesis. By meta-analysing the whole exomes of 24,248 schizophrenia cases and 97,322 controls, we implicate ultra-rare coding variants (URVs) in 10 genes as conferring substantial risk for schizophrenia (odds ratios of 3–50, P < 2.14 × 10−6) and 32 genes at a false discovery rate of <5%. These genes have the greatest expression in central nervous system neurons and have diverse molecular functions that include the formation, structure and function of the synapse. The associations of the NMDA (N-methyl-d-aspartate) receptor subunit GRIN2A and AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) receptor subunit GRIA3 provide support for dysfunction of the glutamatergic system as a mechanistic hypothesis in the pathogenesis of schizophrenia. We observe an overlap of rare variant risk among schizophrenia, autism spectrum disorders1, epilepsy and severe neurodevelopmental disorders2, although different mutation types are implicated in some shared genes. Most genes described here, however, are not implicated in neurodevelopment. We demonstrate that genes prioritized from common variant analyses of schizophrenia are enriched in rare variant risk3, suggesting that common and rare genetic risk factors converge at least partially on the same underlying pathogenic biological processes. Even after excluding significantly associated genes, schizophrenia cases still carry a substantial excess of URVs, which indicates that more risk genes await discovery using this approach. Whole-exome sequencing identifies ten risk genes for schizophrenia implicated by rare protein-coding variants, a subset of which overlap with risk genes in other neurodevelopmental disorders.

Closing the Vector Circle The genome sequence of Culex quinquefasciatus offers a representative of the third major genus of mosquito disease vectors for comparative analysis. In a major international effort, Arensburger et al. (p. 86 ) uncovered divergences in the C. quinquefasciatus genome compared with the representatives of the other two genera Aedes aegypti and Anopheles gambiae . The main difference noted is the expansion of numbers of genes, particularly for immunity, oxidoreductive functions, and digestive enzymes, which may reflect specific aspects of the Culex life cycle. Bartholomay et al. (p. 88 ) explored infection-response genes in Culex in more depth and uncovered 500 immune response-related genes, similar to the numbers seen in Aedes , but fewer than seen in Anopheles or the fruit fly Drosophila melanogaster . The higher numbers of genes were attributed partly to expansions in those encoding serpins, C-type lectins, and fibrinogen-related proteins, consistent with greater immune surveillance and associated signaling needed to monitor the dangers of breeding in polluted, urbanized environments. Transcriptome analysis confirmed that inoculation with unfamiliar bacteria prompted strong immune responses in Culex . The worm and virus pathogens that the mosquitoes transmit naturally provoked little immune activation, however, suggesting that tolerance has evolved to any damage caused by replication of the pathogens in the insects.

The 2013–2015 Ebola virus disease (EVD) epidemic is caused by the Makona variant of Ebola virus (EBOV). Early in the epidemic, genome sequencing provided insights into virus evolution and transmission and offered important information for outbreak response. Here, we analyze sequences from 232 patients sampled over 7 months in Sierra Leone, along with 86 previously released genomes from earlier in the epidemic. We confirm sustained human-to-human transmission within Sierra Leone and find no evidence for import or export of EBOV across national borders after its initial introduction. Using high-depth replicate sequencing, we observe both host-to-host transmission and recurrent emergence of intrahost genetic variants. We trace the increasing impact of purifying selection in suppressing the accumulation of nonsynonymous mutations over time. Finally, we note changes in the mucin-like domain of EBOV glycoprotein that merit further investigation. These findings clarify the movement of EBOV within the region and describe viral evolution during prolonged human-to-human transmission.

Phylogenetics of superspreading One important characteristic of coronavirus epidemiology is the occurrence of superspreading events. These are marked by a disproportionate number of cases originating from often-times asymptomatic individuals. Using a rich sequence dataset from the early stages of the Boston outbreak, Lemieux et al. identified superspreading events in specific settings and analyzed them phylogenetically (see the Perspective by Alizon). Using ancestral trait inference, the authors identified several importation events, further investigated the context and contribution of particular superspreading events to the establishment of local and wider SARS-CoV-2 transmission, and used viral phylogenies to describe sustained transmission. Science , this issue p. eabe3261 ; see also p. 574

Jane Carlton and colleagues report the genome sequencing, de novo assembly and annotation of four Plasmodium vivax reference strains from diverse geographic locations. Their cross-species comparisons show that P. vivax has greater genetic diversity than Plasmodium falciparum. We sequenced and annotated the genomes of four P. vivax strains collected from disparate geographic locations, tripling the number of genome sequences available for this understudied parasite and providing the first genome-wide perspective of global variability in this species. We observe approximately twice as much SNP diversity among these isolates as we do among a comparable collection of isolates of P. falciparum, a malaria-causing parasite that results in higher mortality. This indicates a distinct history of global colonization and/or a more stable demographic history for P. vivax relative to P. falciparum, which is thought to have undergone a recent population bottleneck. The SNP diversity, as well as additional microsatellite and gene family variability, suggests a capacity for greater functional variation in the global population of P. vivax. These findings warrant a deeper survey of variation in P. vivax to equip disease interventions targeting the distinctive biology of this neglected but major pathogen.

Background The continued advance of antibiotic resistance threatens the treatment and control of many infectious diseases. This is exemplified by the largest global outbreak of extensively drug-resistant (XDR) tuberculosis (TB) identified in Tugela Ferry, KwaZulu-Natal, South Africa, in 2005 that continues today. It is unclear whether the emergence of XDR-TB in KwaZulu-Natal was due to recent inadequacies in TB control in conjunction with HIV or other factors. Understanding the origins of drug resistance in this fatal outbreak of XDR will inform the control and prevention of drug-resistant TB in other settings. In this study, we used whole genome sequencing and dating analysis to determine if XDR-TB had emerged recently or had ancient antecedents. Methods and Findings We performed whole genome sequencing and drug susceptibility testing on 337 clinical isolates of Mycobacterium tuberculosis collected in KwaZulu-Natal from 2008 to 2013, in addition to three historical isolates, collected from patients in the same province and including an isolate from the 2005 Tugela Ferry XDR outbreak, a multidrug-resistant (MDR) isolate from 1994, and a pansusceptible isolate from 1995. We utilized an array of whole genome comparative techniques to assess the relatedness among strains, to establish the order of acquisition of drug resistance mutations, including the timing of acquisitions leading to XDR-TB in the LAM4 spoligotype, and to calculate the number of independent evolutionary emergences of MDR and XDR. Our sequencing and analysis revealed a 50-member clone of XDR M. tuberculosis that was highly related to the Tugela Ferry XDR outbreak strain. We estimated that mutations conferring isoniazid and streptomycin resistance in this clone were acquired 50 y prior to the Tugela Ferry outbreak (katG S315T [isoniazid]; gidB 130 bp deletion [streptomycin]; 1957 [95% highest posterior density (HPD): 1937–1971]), with the subsequent emergence of MDR and XDR occurring 20 y (rpoB L452P [rifampicin]; pncA 1 bp insertion [pyrazinamide]; 1984 [95% HPD: 1974–1992]) and 10 y (rpoB D435G [rifampicin]; rrs 1400 [kanamycin]; gyrA A90V [ofloxacin]; 1995 [95% HPD: 1988–1999]) prior to the outbreak, respectively. We observed frequent de novo evolution of MDR and XDR, with 56 and nine independent evolutionary events, respectively. Isoniazid resistance evolved before rifampicin resistance 46 times, whereas rifampicin resistance evolved prior to isoniazid only twice. We identified additional putative compensatory mutations to rifampicin in this dataset. One major limitation of this study is that the conclusions with respect to ordering and timing of acquisition of mutations may not represent universal patterns of drug resistance emergence in other areas of the globe. Conclusions In the first whole genome-based analysis of the emergence of drug resistance among clinical isolates of M. tuberculosis, we show that the ancestral precursor of the LAM4 XDR outbreak strain in Tugela Ferry gained mutations to first-line drugs at the beginning of the antibiotic era. Subsequent accumulation of stepwise resistance mutations, occurring over decades and prior to the explosion of HIV in this region, yielded MDR and XDR, permitting the emergence of compensatory mutations. Our results suggest that drug-resistant strains circulating today reflect not only vulnerabilities of current TB control efforts but also those that date back 50 y. In drug-resistant TB, isoniazid resistance was overwhelmingly the initial resistance mutation to be acquired, which would not be detected by current rapid molecular diagnostics employed in South Africa that assess only rifampicin resistance.

Multidrug-resistant tuberculosis (MDR-TB), caused by drug-resistant strains of Mycobacterium tuberculosis, is an increasingly serious problem worldwide. Here we examined a data set of whole-genome sequences from 5,310 M. tuberculosis isolates from five continents. Despite the great diversity of these isolates with respect to geographical point of isolation, genetic background and drug resistance, the patterns for the emergence of drug resistance were conserved globally. We have identified harbinger mutations that often precede multidrug resistance. In particular, the katG mutation encoding p.Ser315Thr, which confers resistance to isoniazid, overwhelmingly arose before mutations that conferred rifampicin resistance across all of the lineages, geographical regions and time periods. Therefore, molecular diagnostics that include markers for rifampicin resistance alone will be insufficient to identify pre-MDR strains. Incorporating knowledge of polymorphisms that occur before the emergence of multidrug resistance, particularly katG p.Ser315Thr, into molecular diagnostics should enable targeted treatment of patients with pre-MDR-TB to prevent further development of MDR-TB.