A SARS-CoV-2 variant carrying the Spike protein amino acid change D614G has become the most prevalent form in the global pandemic. Dynamic tracking of variant frequencies revealed a recurrent pattern of G614 increase at multiple geographic levels: national, regional, and municipal. The shift occurred even in local epidemics where the original D614 form was well established prior to introduction of the G614 variant. The consistency of this pattern was highly statistically significant, suggesting that the G614 variant may have a fitness advantage. We found that the G614 variant grows to a higher titer as pseudotyped virions. In infected individuals, G614 is associated with lower RT-PCR cycle thresholds, suggestive of higher upper respiratory tract viral loads, but not with increased disease severity. These findings illuminate changes important for a mechanistic understanding of the virus and support continuing surveillance of Spike mutations to aid with development of immunological interventions.

Abstract We have developed periscope, a tool for the detection and quantification of sub-genomic RNA (sgRNA) in SARS-CoV-2 genomic sequence data. The translation of the SARS-CoV-2 RNA genome for most open reading frames (ORFs) occurs via RNA intermediates termed “sub-genomic RNAs”. sgRNAs are produced through discontinuous transcription which relies on homology between transcription regulatory sequences (TRS-B) upstream of the ORF start codons and that of the TRS-L which is located in the 5’ UTR. TRS-L is immediately preceded by a leader sequence. This leader sequence is therefore found at the 5’ end of all sgRNA. We applied periscope to 1,155 SARS-CoV-2 genomes from Sheffield, UK and validated our findings using orthogonal datasets and in vitro cell systems. Using a simple local alignment to detect reads which contain the leader sequence we were able to identify and quantify reads arising from canonical and non-canonical sgRNA. We were able to detect all canonical sgRNAs at expected abundances, with the exception of ORF10. A number of recurrent non-canonical sgRNAs are detected. We show that the results are reproducible using technical replicates and determine the optimum number of reads for sgRNA analysis. In VeroE6 ACE2+/− cell lines, periscope can detect the changes in the kinetics of sgRNA in orthogonal sequencing datasets. Finally, variants found in genomic RNA are transmitted to sgRNAs with high fidelity in most cases. This tool can be applied to all sequenced COVID-19 samples worldwide to provide comprehensive analysis of SARS-CoV-2 sgRNA.

ABSTRACT Studies of convergence in wild populations have been instrumental in understanding adaptation by providing strong evidence for natural selection. At the genetic level, we are beginning to appreciate that the re-use of the same genes in adaptation occurs through different mechanisms and can be constrained by underlying trait architectures and demographic characteristics of natural populations. Here, we explore these processes in naturally adapted high- (HP) and low-predation (LP) populations of the Trinidadian guppy, Poecilia reticulata . As a model for phenotypic change this system provided some of the earliest evidence of rapid and repeatable evolution in vertebrates; the genetic basis of which has yet to be studied at the whole-genome level. We collected whole-genome sequencing data from ten populations (176 individuals) representing five independent HP-LP river pairs across the three main drainages in Northern Trinidad. We evaluate population structure, uncovering several LP bottlenecks and variable between-river introgression that can lead to constraints on the sharing of adaptive variation between populations. Consequently, we found limited selection on common genes or loci across all drainages. Using a pathway type analysis, however, we find evidence of repeated selection on different genes involved in cadherin signalling. Finally, we found a large repeatedly selected haplotype on chromosome 20 in three rivers from the same drainage. Taken together, despite limited sharing of adaptive variation among rivers, we found evidence of convergent evolution associated with HP-LP environments in pathways across divergent drainages and at a previously unreported candidate haplotype within a drainage.

ABSTRACT The genetic basis of traits can shape and constrain how adaptation proceeds in nature; rapid adaptation can be facilitated by polygenic traits, whereas polygenic traits may restrict re-use of the same genes in adaptation (genetic convergence). The rapidly evolving life histories of guppies in response to predation risk provide an opportunity to test this proposition. Guppies adapted to high- (HP) and low-predation (LP) environments in northern Trinidad evolve rapidly and convergently among natural populations. This system has been studied extensively at the phenotypic level, but little is known about the underlying genetic architecture. Here, we use an F2 QTL design to examine the genetic basis of seven (five female, two male) guppy life history phenotypes. We use RAD-sequencing data (16,539 SNPs) from 370 male and 267 female F2 individuals. We perform linkage mapping, estimates of genome-wide and per-chromosome heritability (multi-locus associations), and QTL mapping (single-locus associations). Our results are consistent with architectures of many-loci of small effect for male age and size at maturity and female interbrood period. Male trait associations are clustered on specific chromosomes, but female interbrood period exhibits a weak genome-wide signal suggesting a potentially highly polygenic component. Offspring weight and female size at maturity are also associated with a single significant QTL each. These results suggest rapid phenotypic evolution of guppies may be facilitated by polygenic trait architectures, but these may restrict gene-reuse across populations, in agreement with an absence of strong signatures of genetic convergence from recent population genomic analyses of wild HP-LP guppies.

Abstract Theory predicts that the sexes can achieve greater fitness if loci with sexually antagonistic polymorphisms become linked to the sex determining loci, and this can favour the spread of reduced recombination around sex determining regions. Given that sex-linked regions are frequently repetitive and highly heterozygous, few complete Y chromosome assemblies are available to test these ideas. The guppy system ( Poecilia reticulata ) has long been invoked as an example of sex chromosome formation resulting from sexual conflict. Early genetics studies revealed that male colour patterning genes are mostly but not entirely Y-linked, and that X-linkage may be most common in low predation populations. More recent population genomic studies of guppies have reached varying conclusions about the size and placement of the Y-linked region. However, this previous work used a reference genome assembled from short-read sequences from a female guppy. Here, we present a new guppy reference genome assembly from a male, using long-read PacBio single-molecule real-time sequencing (SMRT) and chromosome contact information. Our new assembly sequences across repeat- and GC-rich regions and thus closes gaps and corrects mis-assemblies found in the short-read female-derived guppy genome. Using this improved reference genome, we then employed broad population sampling to detect sex differences across the genome. We identified two small regions that showed consistent male-specific signals. Moreover, our results help reconcile the contradictory conclusions put forth by past population genomic studies of the guppy sex chromosome. Our results are consistent with a small Y-specific region and rare recombination in male guppies.

ABSTRACT Colour polymorphism provides a tractable trait that can be harnessed to explore the evolution of sexual selection and sexual conflict. Male colour patterns of the Trinidadian guppy ( Poecilia reticulata ) are governed by both natural and sexual selection, and are typified by extreme pattern colour variation as a result of negative frequency dependent selection. Since guppy colour patterns are often inherited faithfully from fathers to sons, it has been historically presumed that colour genes are physically linked to sex determining loci as a ‘supergene’ on the sex chromosome. Yet the actual identity and genomic location of the colour pattern genes has remained elusive. We phenotyped and genotyped four guppy ‘Iso-Y lines’, where colour was inherited along the patriline, but backcrossed into the stock population every 2 to 3 generations for 40 generations, thereby homogenising the genome at regions unrelated to colour. Using an unbiased phenotyping method to proportion colour pattern differences between and among the Iso-Y lines, we confirmed that the breeding design was successful in producing four distinct colour patterns. Our analysis of genome resequencing data of the four Iso-Y lines uncovered a surprising genetic architecture for colour pattern polymorphism. Genetic differentiation among Iso-Y lines was repeatedly associated with a large and diverse haplotype (∼5Mb) on an autosome (LG1), not the sex chromosome (LG12). Moreover, the LG1 haplotype showed elevated linkage disequilibrium and exhibited evidence of sex-specific diversity when we examined whole-genome sequencing data of the natural source population. We hypothesise that colour pattern polymorphism is driven by Y-autosome epistasis, and conclude that predictions of sexual conflict should focus on incorporating the effects of epistasis in understanding complex adaptive architectures.