Molecular- and pollen-based vegetation analysis in lake sediments from central Scandinavia

Plant and animal biodiversity can be studied by obtaining DNA directly from the environment. This new approach in combination with the use of generic barcoding primers (metabarcoding) has been suggested as complementary or alternative to traditional biodiversity monitoring in ancient soil sediments. However, the extent to which metabarcoding truly reflects plant composition remains unclear, as does its power to identify species with no pollen or macrofossil evidence. Here, we compared pollen-based and metabarcoding approaches to explore the Holocene plant composition around two lakes in central Scandinavia. At one site, we also compared barcoding results with those obtained in earlier studies with species-specific primers. The pollen analyses revealed a larger number of taxa (46), of which the majority (78%) was not identified by metabarcoding. The metabarcoding identified 14 taxa (MTUs), but allowed identification to a lower taxonomical level. The combined analyses identified 52 taxa. The barcoding primers may favour amplification of certain taxa, as they did not detect taxa previously identified with species-specific primers. Taphonomy and selectiveness of the primers are likely the major factors influencing these results. We conclude that metabarcoding from lake sediments provides a complementary, but not an alternative, tool to pollen analysis for investigating past flora. In the absence of other fossil evidence, metabarcoding gives a local and important signal from the vegetation, but the resulting assemblages show limited capacity to detect all taxa, regardless of their abundance around the lake. We suggest that metabarcoding is followed by pollen analysis and the use of species-specific primers to provide the most comprehensive signal from the environment. © 2013 Blackwell Publishing Ltd.

The Science of a Lost Medieval Graveyard: The Ballyhanna Research Project

he Science of Lost Medieval Gaelic Graveyard tells the story of the discovery in 2003 of a graveyard and the foundations of a small forgotten stone church at Ballyhanna, in Ballyshannon, Co. Donegal, as part of the N15 Bundoran–Ballyshannon Bypass archaeological works. This led to the excavation of one of the largest collections of medieval burials ever undertaken on this island. Over 1,200 individuals were excavated from the site at Ballyhanna during the winter of 2003–4, representing 1,000 years of burial through the entire Irish medieval period. The discovery led to the establishment of a cross-border research collaboration—the Ballyhanna Research Project—between Queen’s University Belfast and the Institute of Technology, Sligo, which has brought to life this lost Gaelic graveyard.

This book shows how cutting-edge scientific research may aid our understanding and interpretation of archaeology and reveal new insights into past societies. For example, the use of ancient DNA analysis represented the first biomolecular archaeological evaluation of a medieval population to date and provided evidence that cystic fibrosis was much less prevalent in the medieval period than today. The Science of Lost Medieval Gaelic Graveyard is about a community who lived in Gaelic Ireland, about their lifestyles, health and diet. It tells us of their deaths and of their burial traditions, and through examining all of these aspects, it reveals the ebb and flow of their lives.

The book is accompanied by a CD-ROM which includes supplementary information from the Ballyhanna Research Project and the original excavation and survey reports for all of the archaeological sites on the N15 Bundoran–Ballyshannon Bypass.

Neolithic and Bronze age migration to Ireland and establishment of the insular Atlantic genome

The Neolithic and Bronze Age transitions were profound cultural shifts catalyzed in parts of Europe by migrations, first of early farmers from the Near East and then Bronze Age herders from the Pontic Steppe. However, a decades-long, unresolved controversy is whether population change or cultural adoption occurred at the Atlantic edge, within the British Isles. We address this issue by using the first whole genome data from prehistoric Irish individuals. A Neolithic woman (3343–3020 cal BC) from a megalithic burial (10.3× coverage) possessed a genome of predominantly Near Eastern origin. She had some hunter–gatherer ancestry but belonged to a population of large effective size, suggesting a substantial influx of early farmers to the island. Three Bronze Age individuals from Rathlin Island (2026–1534 cal BC), including one high coverage (10.5×) genome, showed substantial Steppe genetic heritage indicating that the European population upheavals of the third millennium manifested all of the way from southern Siberia to the western ocean. This turnover invites the possibility of accompanying introduction of Indo-European, perhaps early Celtic, language. Irish Bronze Age haplotypic similarity is strongest within modern Irish, Scottish, and Welsh populations, and several important genetic variants that today show maximal or very high frequencies in Ireland appear at this horizon. These include those coding for lactase persistence, blue eye color, Y chromosome R1b haplotypes, and the hemochromatosis C282Y allele; to our knowledge, the first detection of a known Mendelian disease variant in prehistory. These findings together suggest the establishment of central attributes of the Irish genome 4,000 y ago.

Correlating Bayesian date estimates with climatic events and domestication using a bovine case study

The tribe Bovini contains a number of commercially and culturally important species, such as cattle. Understanding their evolutionary time scale is important for distinguishing between post-glacial and domestication-associated population expansions, but estimates of bovine divergence times have been hindered by a lack of reliable calibration points. We present a Bayesian phylogenetic analysis of 481 mitochondrial D-loop sequences, including 228 radiocarbon-dated ancient DNA sequences, using a multi-demographic coalescent model. By employing the radiocarbon dates as internal calibrations, we co-estimate the bovine phylogeny and divergence times in a relaxed-clock framework. The analysis yields evidence for significant population expansions in both taurine and zebu cattle, European aurochs and yak clades. The divergence age estimates support domestication-associated expansion times (less than 12 kyr) for the major haplogroups of cattle. We compare the molecular and palaeontological estimates for the Bison-Bos divergence.

The Origins of Lactase Persistence in Europe

Lactase persistence (LP) is common among people of European ancestry, but with the exception of some African, Middle Eastern and southern Asian groups, is rare or absent elsewhere in the world. Lactase gene haplotype conservation around a polymorphism strongly associated with LP in Europeans (-13,910 C/T) indicates that the derived allele is recent in origin and has been subject to strong positive selection. Furthermore, ancient DNA work has shown that the -13,910*T (derived) allele was very rare or absent in early Neolithic central Europeans. It is unlikely that LP would provide a selective advantage without a supply of fresh milk, and this has lead to a gene-culture coevolutionary model where lactase persistence is only favoured in cultures practicing dairying, and dairying is more favoured in lactase persistent populations. We have developed a flexible demic computer simulation model to explore the spread of lactase persistence, dairying, other subsistence practices and unlinked genetic markers in Europe and western Asia's geographic space. Using data on -13,910*T allele frequency and farming arrival dates across Europe, and approximate Bayesian computation to estimate parameters of interest, we infer that the -13,910*T allele first underwent selection among dairying farmers around 7,500 years ago in a region between the central Balkans and central Europe, possibly in association with the dissemination of the Neolithic Linearbandkeramik culture over Central Europe. Furthermore, our results suggest that natural selection favouring a lactase persistence allele was not higher in northern latitudes through an increased requirement for dietary vitamin D. Our results provide a coherent and spatially explicit picture of the coevolution of lactase persistence and dairying in Europe.

Temporal genetic variation of the red fox, Vulpes vulpes, across western Europe and the British Isles

Quaternary climatic fluctuations have had profound effects on the phylogeographic structure of many species. Classically, species were thought to have become isolated in peninsular refugia, but there is limited evidence that large, non-polar species survived outside traditional refugial areas. We examined the phylogeographic structure of the red fox (Vulpes vulpes), a species that shows high ecological adaptability in the western Palaearctic region. We compared mitochondrial DNA sequences (cytochrome b and control region) from 399 modern and 31 ancient individuals from across Europe. Our objective was to test whether red foxes colonised the British Isles from mainland Europe in the late Pleistocene, or whether there is evidence that they persisted in the region through the Last Glacial Maximum. We found red foxes to show a high degree of phylogeographic structuring across Europe and, consistent with palaeontological and ancient DNA evidence, confirmed via phylogenetic indicators that red foxes were persistent in areas outside peninsular refugia during the last ice age. Bayesian analyses and tests of neutrality indicated population expansion. We conclude that there is evidence that red foxes from the British Isles derived from central European populations that became isolated after the closure of the landbridge with Europe.

Species-specific responses of Late Quaternary megafauna to climate and humans

Despite decades of research, the roles of climate and humans in driving the dramatic extinctions of large-bodied mammals during the Late Quaternary period remain contentious. Here we use ancient DNA, species distribution models and the human fossil record to elucidate how climate and humans shaped the demographic history of woolly rhinoceros, woolly mammoth, wild horse, reindeer, bison and musk ox. We show that climate has been a major driver of population change over the past 50,000 years. However, each species responds differently to the effects of climatic shifts, habitat redistribution and human encroachment. Although climate change alone can explain the extinction of some species, such as Eurasian musk ox and woolly rhinoceros, a combination of climatic and anthropogenic effects appears to be responsible for the extinction of others, including Eurasian steppe bison and wild horse. We find no genetic signature or any distinctive range dynamics distinguishing extinct from surviving species, emphasizing the challenges associated with predicting future responses of extant mammals to climate and human-mediated habitat change.

New and improved molecular sexing methods for museum bird specimens

We present two new avian molecular sexing techniques for nonpasserine and passerine birds (Neognathae), which are more suitable for use with museum specimens than earlier methods. The technique for nonpasserines is based on a new primer (M5) which, in combination with the existing P8 primer, targets a smaller amplicon in the CHD1 sex-linked gene than previously. Primers targeting ATP5A1, an avian sex-linked gene not previously used for sex identification, were developed for passerines. Comprehensive testing across species demonstrated that both primer pairs sex a range of different species within their respective taxonomic groups. Rigorous evaluation of each method within species showed that these permitted sexing of specimens dating from the 1850s. For corn bunting museum specimens, the ATP5A1 method sexed 98% of 63 samples (1857–1966). The M5/P8 CHD1 method was similarly successful, sexing 90% of 384 moorhen specimens from six different museum collections (1855–2001). In contrast, the original P2/P8 CHD1 sexing method only identified the sex of less than half of 111 museum moorhen samples. In addition to dried skin samples, these methods may be useful for other types of material that yield degraded or damaged DNA, and are hence potential new sexing tools for avian conservation genetics, population management and wildlife forensics.

Geographical variation in the golden-striped salamander, Chioglossa lusitanica Bocage, 1864 and the description of a newly recognized subspecies

Morphological and genetic data for the Iberian golden- striped salamander, Chioglossa lusitanica, demonstrate the existence of two groups with southern and northern ranges, connected by a zone of intergradation in central Portugal. Because reproductive isolation between them is incomplete we consider the groups to be subspecies. The type locality of C. lusitanica ( Bucaco near Lousa) is situated inside the mixed zone. This necessitates identification of the nominotypical subspecies. We sequenced a fragment of mitochondrial DNA from one of the species' syntypes and we determined what position over a latitudinal transect maximizes the morphological discrimination between the groups. Both approaches indicate that C. lusitanica from Bucaco represents the southern subspecies. A new subspecies of C. lusitanica is described from a northern locality ( Valongo near Porto in northwestern Portugal). A lectotype is designated for Chioglossa lusitanica.

Populationsgenetik kupfer- und bronzezeitlicher Bevölkerungen der osteuropäischen Steppe

Mit der vorliegenden Arbeit wurden erstmals prähistorische Bevölkerungsstrukturen in der osteuropäischen Steppe von der Oberthrakischen Tiefebene bis zur Wolga populationsgenetisch untersucht. Mit Multiplex-PCR und 454-Sequencing wurden von 65 kupfer- und bronzezeitlichen Individuen die Hypervariable Region I und 30 Abschnitte der coding region der mitochondrialen DNA analysiert. Außerdem wurden bis zu 20 putativ selektierte autosomale SNPs und ein geschlechtsspezifischer Locus genotypsiert. Zu Vergleichszwecken wurden veröffentlichte prähistorische DNA-Daten aus Westeurasien und moderne DNA-Sequenzen herangezogen. Die Ergebnisse stützen die Annahme, dass frühneolithische Bauern aus Südosteuropa durch demische Diffusion an der Etablierung der Viehwirtschaft in der Steppe beteiligt waren. Die durchweg niedrigen FST-Werte zwischen der frühbronzezeitlichen Jamnaja-Kultur in der Steppe und den aufeinanderfolgenden neolithischen Kulturen Mitteleuropas sprechen für regelmäßige Kontakte. Die der Jamnaja-Kultur nachfolgende Katakombengrabkultur ist von einem hohen Anteil der in nord- und osteuropäischen Jäger/Sammler-Populationen verbreiteten Haplogruppe U4 geprägt. Niedrige FST-Werte zwischen den prähistorischen Steppenpopulationen und der heutigen Bevölkerung Mittel- und Osteuropas weisen auf genetische Kontinuität hin. Die nukleären Genotypenfrequenzen bestätigt dies. Der moderne europäische Genpool lässt sich nach aktuellem Kenntnisstand auf drei Wurzeln zurückführen: indigene Mesolithiker, frühe Bauern aus dem Nahen Osten und eine nordeurasische Komponente jungpalaeolithischen Ursprungs. Letztere könnte vielleicht über die nordpontische Population in das Erbgut spätneolithischer Europäer gelangt sein.

Species identification of archived fish bones collected from the Mediterranean Sea 100 years ago using molecular techniques

With the discovery that DNA can be successfully recovered from museum collections, a new source of genetic information has been provided to extend our comprehension of the evolutionary history of species. However, historical specimens are often mislabeled or report incorrect information of origin, thus accurate identification of specimens is essential. Due to the highly damaged nature of ancient DNA many pitfalls exist and particular precautions need to be considered in order to perform genetic analysis. In this study we analyze 208 historical remains of pelagic fishes collected in the beginning of the 20th century. Through the adaptation of existing protocols, usually applied to human remains, we manage to successfully retrieve valuable genetic material from almost all of the examined samples using a guanidine and silica column-based approach. The combined use of two mitochondrial markers cytochrome-oxidase-1(mtDNA COI) and Control Region (mtDNA CR), and the nuclear marker first internal transcriber space (ITS1) allowed us to identify the majority of the examined specimens using traditional PCR and Sanger sequencing techniques. The creation of primers capable of amplifying heavily degraded DNA have great potential for future uses, both in ancient and in modern investigation. The methodologies developed in this study can in fact be applied for other ancient fish specimens as well as cooked or canned samples.

Populationsgenetik eisenzeitlicher Reiternomaden der Eurasischen Steppe

Vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Populationsgenetik eisenzeitlicher Bevölkerungen der Eurasischen Steppe, die mit der skythischen Kultur assoziiert werden. Für die Analysen wurden 30 Fragmente der kodierenden Region und die HVR1 (16040–16400) des mitochondrialen Genoms, sowie 20 phänotypische Marker untersucht. Die Marker wurden durch Multiplex-PCRs angereichert, mit einem probenspezifischen barcode versehen und einer parallelen Sequenzanalyse mit dem 454 GS FLX Sequenzierer unterzogen. 97 Individuen wurden erfolgreich analysiert, von denen 19 aus dem Westen der Eurasischen Steppe und 78 aus dem Bereich des Altai-Gebirges stammen. Die populationsgenetischen Analysen ergaben geringe genetische Distanzen zwischen den skythischen Populationen aus dem Bereich des Altai-Gebirges, die sich vom 9. bis zum 3. Jahrhundert vor Christus erstrecken, was für eine kontinuierliche Bevölkerungsentwicklung sprechen könnte. Weiterhin finden sich geringe genetische Distanzen zwischen den Gruppen im Osten und Westen der Eurasischen Steppe, was auf eine gemeinsame Ursprungspopulation, oder zumindest Genfluss hinweisen kann. Die Ergebnisse aus dem Vergleich mit neolithischen und bronzezeitlichen Referenzpopulationen aus Zentralasien und den angrenzenden Gebieten weisen auf die Möglichkeit eines gemeinsamen zentral-asiatischen Ursprungs hin, zeigen aber auch, dass die östlichen und westlichen Gruppen der Eisenzeit jeweils zusätzlich lokalem Genfluss ausgesetzt waren. Die Allelfrequenzen der phänotypischen Marker deuten auf einen größeren europäischen Einfluss auf das östliche Zentralasien in der Eisenzeit hin, oder ansteigenden Genfluss aus Ostasien nach der Eisenzeit.

Molecular genetic investigation of the Neolithic population history in the western Carpathian Basin

Der Fokus dieser Dissertation ist die populationsgenetische Analyse der neolithischen Bevölkerungswechsel in den 6.-5. Jahrtausende vor Christus, die im westlichen Karpatenbecken stattfanden. Die Zielsetzung der Studie war, mittels der Analyse von mitochondrialer und Y-chromosomaler aDNA, den Genpool der sechs neolithischen und kupferzeitlichen Populationen zu untersuchen und die daraus resultierenden Ergebnisse mit anderen prähistorischen und modernen genetischen Daten zu vergleichen.rnInsgesamt wurden 323 Individuen aus 32 ungarischen, kroatischen und slowakischen Fundplätzen beprobt und bearbeitet in den archäogenetischen Laboren der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz. Die DNA Ergebnisse wurden mit verschiedenen populationsgenetischen Methoden ausgewertet. Vergleichsdaten von prähistorischen und modernen eurasiatischen Populationen wurden dazu gesammelt.rnDie HVS-I Region der mitochondrialen DNA konnten bei 256 Individuen reproduziert und authentifiziert werden (mit einer Erfolgsrate von 85.9%). Die Typisierung der HVS-II Region war in 80 Fällen erfolgreich. Testend alle gut erhaltene Proben, die Y-chromosomale Haplogruppe konnte in 33 männlichen Individuen typisiert werden.rnDie neolithischen, mitochondrialen Haplogruppen deuten auf eine hohe Variabilität des maternalen Genpools hin. Sowohl die mitochondrialen als auch die Y-chromosomalen Daten lassen Rückschlüsse auf eine nah-östliche bzw. südwestasiatische Herkunft der frühen Bauern zu. Die Starčevo- und linearbandkermaischen-Populationen in westlichem Karpatenbecken (letztere abgekürzt als LBKT) und die linearbandkermaischen-Population in Mitteleuropa (LBK) haben so starke genetische Ähnlichkeit, dass die Verbreitung der LBK nach Mitteleuropa mit vorangegangenen Wanderungsereignissen zu erklären ist. Die Transdanubische aDNA Daten zeigen hohe Affinität zu den publizierten prähistorischen aDNA Datensätzen von Mitteleuropa aus den 6.-4. Jahrtausende vor Chr. Die maternal-genetische Variabilität der Starčevo-Population konnte auch innerhalb der nachfolgenden Populationen Transdanubiens festgestellt werden. Nur kleinere Infiltrationen und Immigrationsereignissen konnten während der Vinča-, LBKT-, Sopot- und Balaton-Lasinja-Kultur in Transdanubien identifiziert werden. Zwischen den transdanubischen Regionen konnten mögliche genetische Unterschiede nur in der LBKT und in der Lengyel-Periode beobachtet werden, als sich die nördlichen Gruppen von den südlichen Populationen trennten. rnDie festgestellte Heterogenität der mtDNA in Zusammenhang mit der Y-chromosomalen Homogenität in den Starčevo- und LBK-Populationen, weisen auf patrilokale Residenzregeln und patrilineare Abstammungsregeln in den ersten Bauergemeinschaften hin. rnObwohl die hier präsentierten Daten einen großen Fortschritt in der Forschung von aDNA und Neolithikum des Karpatenbeckens und Mitteleuropas bedeuten, werfen sie auch mehrere Fragen auf, deren Beantwortung durch zukünftige Genomforschungen erbracht werden könnte.

Populationsgenetik der ersten Bauern Mitteleuropas

Die vorliegende Dissertation ist eine molekulargenetische Studie an humanem neolithischem Skelettmaterial. Im zentralen Blickpunkt stand die Bestimmung der Variabilität der mitochondrialen Haplogruppen einer frühneolithischen Stichprobe aus drei unterschiedlichen Kulturkreisen, welche die Linearbandkeramik (LBK und AVK), die Körös-Kultur und eine Sammelkategorie osteuropäischer spätmeso- und frühneolithischer Kulturen umfasste. Im Vergleich dieser Gruppen untereinander sowie mit Rezentdaten moderner Populationen aus vergleichbaren Gebieten Mittel- und Osteuropas sowie dem Nahen Osten sollten bestehende Modelle und Hypothesen zur Neolithisierung Mitteleuropas geprüft werden. Insgesamt konnte für 43 neolithische Individuen aus 16 Fundorten der reproduzierbare Nachweis endogener DNA erbracht werden. Eine eindeutige Haplogruppenbestimmung konnte durch die Sequenzierung vier überlappender Fragmente der mitochondrialen Hypervariablen Region I sowie durch RFLP-Analyse zusätzlicher charakteristischer Nukleotidpositionen für alle 43 Individuen durchgeführt werden. Die neolithischen Individuen der Linearbandkeramik sowie der Körös-Kultur zeigten eine hohe Diversität an bekannten europäischen Haplogruppen, wohingegen die kleinere Stichprobe aus dem Gebiet Osteuropas eine auffällige Homogenität aufwies. Neben Frequenzunterschieden zur modernen mitteleuropäischen Bevölkerung war innerhalb der LBK/AVK-Stichprobe eine hohe Frequenz der Haplogruppe N1a festzustellen, welche nicht in den beiden anderen neolithischen Stichproben zu finden war und auch in der heutigen Rezentbevölkerung Eurasiens und Nordafrikas nur mit einer durchschnittlichen Frequenz von 0,2% vertreten ist. Innerhalb der Individuen der Körös-Kultur fanden sich zwei Haplotypen, welche heute nicht in Europa bekannt sind, dagegen jedoch in Süd- bzw. Nordostasien gehäuft vorkommen. Die Ergebnisse der aDNA-Analysen bestätigten im Wesentlichen das komplexe Bild der Neolithischen Transition in Mitteleuropa und konnten die, für diesen Raum postulierte, Hypothese der leap frog colonization weitestgehend unterstützen. Auch für den geographischen Vergleichsraum des nördlichen Osteuropa konnten Parallelen zur etablierten Sichtweise der archäologischen Forschung zu diesem Gebiet und den vorliegenden Ergebnissen der aDNA-Analysen aufgezeigt werden. Die zeitlich verzögerte Annahme der neolithischen Lebensweise im waldreichen nördlichen Osteuropa spiegelt sich in der reduzierten Diversität an mtDNA-Haplogruppen wider. Die vorliegende Dissertation konnte nicht nur durch die Ergebnisse der Haplogruppen-Bestimmung, sondern vor allem durch die umfangreichen und elaborierten Reproduktions- und Authentifizierungprotokolle deutlich machen, dass der Nachweis von humaner alter DNA trotz der allgegenwärtigen, methodenimmanenten Kontaminationsgefahr unter streng kontrollierten Bedingungen möglich ist. Gleichermaßen konnte veranschaulicht werden, dass die aDNA-Analyse wertvolle Hinweise auf das genetische status quo einer Population liefern kann, welche nicht bzw. nur in sehr eingeschränkten Maße von rezenten DNA-Daten abgeleitet werden können. Als sekundäres Ergebnis erlaubte der bislang größte vorliegende Datensatz von ~2500 Klonsequenzen zudem einen detaillierten Einblick in Häufigkeiten und Verteilungsmuster von post mortem Sequenzveränderungen. Es konnten für den mitochondrialen Bereich der Nukleotidpositionen 15997-16409 so genannte hot bzw. cold spots definiert werden, welche für die Auswertung und Interpretation von zukünftigen Sequenzierungen der Hypervariablen Region I des mt-Genoms von entscheidender Bedeutung sein werden.

Analysis of coprolites from the extinct mountain goat Myotragus balearicus

Humans colonized the Balearic Islands 5-4 ka ago. They arrived in a uniquely adapted ecosystem with the Balearic mountain goat Myotragus balearicus (Bovidae, Antilopinae, Caprini) as the only large mammal. This mammal went extinct rapidly after human arrival. Several hypotheses have been proposed to explain the extinction of M. balearicus. For the present study ancient DNA analysis (Sanger sequencing, Roche-454, Ion Torrent), and pollen and macrofossil analyses were performed on preserved coprolites from M. balearicus, providing information on its diet and paleo-environment. The information retrieved shows that M. balearicus was heavily dependent on the Balearic box species Buxus balearica during at least part of the year, and that it was most probably a browser. Hindcast ecological niche modelling of B. balearica shows that local distribution of this plant species was affected by climate changes. This suggests that the extinction of M. balearicus can be related to the decline and regional extinction of a plant species that formed a major component of its diet. The vegetation change is thought to be caused by increased aridity occurring throughout the Mediterranean. Previous hypotheses relating the extinction of M. balearicus directly to the arrival of humans on the islands must therefore be adjusted. (C) 2013 University of Washington. Published by Elsevier Inn All rights reserved.