Strong electron correlations lie at the origin of high-temperature superconductivity. Its essence is believed to be captured by the Fermi-Hubbard model of repulsively interacting fermions on a lattice. Here we report on the site-resolved observation of charge and spin correlations in the two-dimensional (2D) Fermi-Hubbard model realized with ultracold atoms. Antiferromagnetic spin correlations are maximal at half-filling and weaken monotonically upon doping. At large doping, nearest-neighbor correlations between singly charged sites are negative, revealing the formation of a correlation hole, the suppressed probability of finding two fermions near each other. As the doping is reduced, the correlations become positive, signaling strong bunching of doublons and holes, in agreement with numerical calculations. The dynamics of the doublon-hole correlations should play an important role for transport in the Fermi-Hubbard model.

Mapping the genetic basis of complex traits is critical to uncovering the biological mechanisms that underlie disease and other phenotypes. Genome-wide association studies (GWAS) in humans and quantitative trait locus (QTL) mapping in model organisms can now explain much of the observed heritability in many traits, allowing us to predict phenotype from genotype. However, constraints on power due to statistical confounders in large GWAS and smaller sample sizes in QTL studies still limit our ability to resolve numerous small-effect variants, map them to causal genes, identify pleiotropic effects across multiple traits, and infer non-additive interactions between loci (epistasis). Here, we introduce barcoded bulk quantitative trait locus (BB-QTL) mapping, which allows us to construct, genotype, and phenotype 100,000 offspring of a budding yeast cross, two orders of magnitude larger than the previous state of the art. We use this panel to map the genetic basis of eighteen complex traits, finding that the genetic architecture of these traits involves hundreds of small-effect loci densely spaced throughout the genome, many with widespread pleiotropic effects across multiple traits. Epistasis plays a central role, with thousands of interactions that provide insight into genetic networks. By dramatically increasing sample size, BB-QTL mapping demonstrates the potential of natural variants in high-powered QTL studies to reveal the highly polygenic, pleiotropic, and epistatic architecture of complex traits. Significance statement Understanding the genetic basis of important phenotypes is a central goal of genetics. However, the highly polygenic architectures of complex traits inferred by large-scale genome-wide association studies (GWAS) in humans stand in contrast to the results of quantitative trait locus (QTL) mapping studies in model organisms. Here, we use a barcoding approach to conduct QTL mapping in budding yeast at a scale two orders of magnitude larger than the previous state of the art. The resulting increase in power reveals the polygenic nature of complex traits in yeast, and offers insight into widespread patterns of pleiotropy and epistasis. Our data and analysis methods offer opportunities for future work in systems biology, and have implications for large-scale GWAS in human populations.

The combination of ultra-long (UL) Oxford Nanopore Technologies (ONT) sequencing reads with long, accurate Pacific Bioscience (PacBio) High Fidelity (HiFi) reads has enabled the completion of a human genome and spurred similar efforts to complete the genomes of many other species. However, this approach for complete, “telomere-to-telomere” genome assembly relies on multiple sequencing platforms, limiting its accessibility. ONT “Duplex” sequencing reads, where both strands of the DNA are read to improve quality, promise high per-base accuracy. To evaluate this new data type, we generated ONT Duplex data for three widely studied genomes: human HG002, Solanum lycopersicum Heinz 1706 (tomato), and Zea mays B73 (maize). For the diploid, heterozygous HG002 genome, we also used “Pore-C” chromatin contact mapping to completely phase the haplotypes. We found the accuracy of Duplex data to be similar to HiFi sequencing, but with read lengths tens of kilobases longer, and the Pore-C data to be compatible with existing diploid assembly algorithms. This combination of read length and accuracy enables the construction of a high-quality initial assembly, which can then be further resolved using the UL reads, and finally phased into chromosome-scale haplotypes with Pore-C. The resulting assemblies have a base accuracy exceeding 99.999% (Q50) and near-perfect continuity, with most chromosomes assembled as single contigs. We conclude that ONT sequencing is a viable alternative to HiFi sequencing for de novo genome assembly, and provides a multirun single-instrument solution for the reconstruction of complete genomes.

Abstract Laboratory experimental evolution provides a window into the details of the evolutionary process. To investigate the consequences of long-term adaptation, we evolved 205 S. cerevisiae populations (124 haploid and 81 diploid) for ∼10,000 generations in three environments. We measured the dynamics of fitness changes over time, finding repeatable patterns of declining adaptability. Sequencing revealed that this phenotypic adaptation is coupled with a steady accumulation of mutations, widespread genetic parallelism, and historical contingency. In contrast to long-term evolution in E. coli, we do not observe long-term coexistence or populations with highly elevated mutation rates. We find that evolution in diploid populations involves both fixation of heterozygous mutations and frequent loss-of-heterozygosity events. Together, these results help distinguish aspects of evolutionary dynamics that are likely to be general features of adaptation across many systems from those that are specific to individual organisms and environmental conditions.

Over the past two decades, several broadly neutralizing antibodies (bnAbs) that confer protection against diverse influenza strains have been isolated 1,2 . Structural and biochemical characterization of these bnAbs has provided molecular insight into how they bind distinct antigens 1 . However, our understanding of the evolutionary pathways leading to bnAbs, and thus how best to elicit them, remains limited. Here, we measure equilibrium dissociation constants of combinatorially complete mutational libraries for two naturally isolated influenza bnAbs 3–5 (CR-9114, 16 mutations; CR-6261, 11 mutations), reconstructing all possible intermediates back to the unmutated germline sequences. We find that these two libraries exhibit strikingly different patterns of breadth: while many variants of CR-6261 display moderate affinity to diverse antigens, those of CR-9114 display appreciable affinity only in specific, nested combinations. By examining the extensive pairwise and higher-order epistasis between mutations, we find key sites with strong synergistic interactions that are highly similar across antigens for CR-6261 and different for CR-9114. Together, these features of the binding affinity landscapes strongly favor sequential acquisition of affinity to diverse antigens for CR-9114, while the acquisition of breadth to more similar antigens for CR-6261 is less constrained. These results, if generalizable to other bnAbs, may explain the molecular basis for the widespread observation that sequential exposure favors greater breadth 6–8 , and such mechanistic insight will be essential for predicting and eliciting broadly protective immune responses.