Abstract Recombination is a fundamental process in molecular evolution, and the identification of recombinant sequences is of major interest for biologists. However, current methods for detecting recombinants only work for aligned sequences, often require a reference panel, and do not scale well to large datasets. Thus they are not suitable for the analyses of highly diverse genes, such as the var genes of the malaria parasite Plasmodium falciparum, which are known to diversify primarily through recombination. We introduce an algorithm to detect recombinant sequences from an unaligned dataset. Our approach can effectively handle thousands of sequences without the need of an alignment or a reference panel, offering a general tool suitable for the analysis of many different types of sequences. We demonstrate the effectiveness of our algorithm through extensive numerical simulations; in particular, it maintains its accuracy in the presence of insertions and deletions. We apply our algorithm to a dataset of 17,335 DBL α types in var genes from Ghana, enabling the comparison between recombinant and non-recombinant types for the first time. We observe that sequences belonging to the same ups type or DBL α subclass recombine amongst themselves more frequently, and that non-recombinant DBL α types are more conserved than recombinant ones. Author summary Recombination is a fundamental process in molecular evolution where two genes exchange genetic material, diversifying the genes. It is important to properly model this process when reconstructing evolutionary history, and to do so we need to be able to identify recombinant genes. In this manuscript, we develop a method for this which can be applied to scenarios where current methods often fail, such as where genes are very diverse. We specifically focus on detecting recombinants in the var genes of the malaria parasite Plasmodium falciparum . These genes influence the length and severity of malaria infection, and therefore their study is critical to the treatment and prevention of malaria. They are also highly diverse, primarily because of recombination. Our analysis of genes from a cross-sectional study in Ghana study show fundamental relations between the patterns and prevalence of recombination in these genes and other important biological categorisations.

The var multigene family encodes the P. falciparum erythrocyte membrane protein 1 (PfEMP1), which is important in host-parasite interaction as a virulence factor and major surface antigen of the blood stages of the parasite, responsible for maintaining chronic infection. Whilst important in the biology of P. falciparum, these genes (50 to 60 genes per parasite genome) are routinely excluded from whole genome analyses due to their hyper-diversity, achieved primarily through recombination. The PfEMP1 head structure almost always consists of a DBLα-CIDR tandem. Categorised into different groups (upsA, upsB, upsC), different head structures have been associated with different ligand-binding affinities and disease severities. We study how conserved individual DBLα types are at the country, regional, and local scales in Sub-Saharan Africa. Using publicly-available sequence datasets and a novel ups classification algorithm, cUps, we performed an in silico exploration of DBLα conservation through time and space in Africa. In all three ups groups, the population structure of DBLα types in Africa consists of variants occurring at rare, moderate, and high frequencies. Non-rare variants were found to be temporally stable in a local area in endemic Ghana. When inspected across different geographical scales, we report different levels of conservation; while some DBLα types were consistently found in high frequencies in multiple African countries, others were conserved only locally, signifying local preservation of specific types. Underlying this population pattern is the composition of DBLα types within each isolate repertoire, revealed to consist of a mix of types found at rare, low, moderate, and high frequencies in the population. We further discuss the adaptive forces and balancing selection, including host genetic factors, potentially shaping the evolution and diversity of DBLα types in Africa.

Abstract Integrative Conjugative Elements (ICEs) are replicons that can insert and excise from chromosomal locations in a site specific manner, can conjugate across strains, and which often carry a variety of genes useful for bacterial growth and survival under specific conditions. Although ICEs have been identified and vetted within certain clades of the agricultural pathogen Pseudomonas syringae , the impact of ICE carriage and transfer across the entire P. syringae species complex remains underexplored. Here we identify and vet an ICE (PmaICE-DQ) from P. syringae pv. maculicola ES4326, a strain commonly used for laboratory virulence experiments, demonstrate that this element can excise and conjugate across strains, and contains loci encoding multiple type III effector proteins. Moreover, genome context suggests that another ICE (PmaICE-AOAB) is highly similar in comparison with and found immediately adjacent to PmaICE-DQ within the chromosome of strain ES4326, and also contains multiple type III effectors. Lastly, we present passage data from in planta experiments that suggests that genomic plasticity associated with ICEs may enable strains to more rapidly lose type III effectors that trigger R-gene mediated resistance in comparison to strains where nearly isogenic effectors are not present in ICEs. Taken together, our study sheds light on a set of ICE elements from P. syringae pv. maculicola ES4326 and highlights how genomic context may lead to different evolutionary dynamics for shared virulence genes between strains.