TY - GEN A1 - Taron, Ulrike H. A1 - Lell, Moritz A1 - Barlow, Axel A1 - Paijmans, Johanna L. A. T1 - Testing of Alignment Parameters for Ancient Samples BT - Evaluating and Optimizing Mapping Parameters for Ancient Samples Using the TAPAS Tool T2 - Genes N2 - High-throughput sequence data retrieved from ancient or other degraded samples has led to unprecedented insights into the evolutionary history of many species, but the analysis of such sequences also poses specific computational challenges. The most commonly used approach involves mapping sequence reads to a reference genome. However, this process becomes increasingly challenging with an elevated genetic distance between target and reference or with the presence of contaminant sequences with high sequence similarity to the target species. The evaluation and testing of mapping efficiency and stringency are thus paramount for the reliable identification and analysis of ancient sequences. In this paper, we present ‘TAPAS’, (Testing of Alignment Parameters for Ancient Samples), a computational tool that enables the systematic testing of mapping tools for ancient data by simulating sequence data reflecting the properties of an ancient dataset and performing test runs using the mapping software and parameter settings of interest. We showcase TAPAS by using it to assess and improve mapping strategy for a degraded sample from a banded linsang (Prionodon linsang), for which no closely related reference is currently available. This enables a 1.8-fold increase of the number of mapped reads without sacrificing mapping specificity. The increase of mapped reads effectively reduces the need for additional sequencing, thus making more economical use of time, resources, and sample material. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 415 KW - ancient DNA KW - short-read mapping KW - palaeogenomics KW - alignment sensitivity / specificity Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409683 ER - TY - GEN A1 - Huynen, Leon A1 - Suzuki, Takayuki A1 - Ogura, Toshihiko A1 - Watanabe, Yusuke A1 - Millar, Craig D. A1 - Hofreiter, Michael A1 - Smith, Craig A1 - Mirmoeini, Sara A1 - Lambert, David M. T1 - Reconstruction and in vivo analysis of the extinct tbx5 gene from ancient wingless moa (Aves: Dinornithiformes) T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Background The forelimb-specific gene tbx5 is highly conserved and essential for the development of forelimbs in zebrafish, mice, and humans. Amongst birds, a single order, Dinornithiformes, comprising the extinct wingless moa of New Zealand, are unique in having no skeletal evidence of forelimb-like structures. Results To determine the sequence of tbx5 in moa, we used a range of PCR-based techniques on ancient DNA to retrieve all nine tbx5 exons and splice sites from the giant moa, Dinornis. Moa Tbx5 is identical to chicken Tbx5 in being able to activate the downstream promotors of fgf10 and ANF. In addition we show that missexpression of moa tbx5 in the hindlimb of chicken embryos results in the formation of forelimb features, suggesting that Tbx5 was fully functional in wingless moa. An alternatively spliced exon 1 for tbx5 that is expressed specifically in the forelimb region was shown to be almost identical between moa and ostrich, suggesting that, as well as being fully functional, tbx5 is likely to have been expressed normally in moa since divergence from their flighted ancestors, approximately 60 mya. Conclusions The results suggests that, as in mice, moa tbx5 is necessary for the induction of forelimbs, but is not sufficient for their outgrowth. Moa Tbx5 may have played an important role in the development of moa’s remnant forelimb girdle, and may be required for the formation of this structure. Our results further show that genetic changes affecting genes other than tbx5 must be responsible for the complete loss of forelimbs in moa. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1117 KW - tbx5 KW - Moa KW - gene expression KW - ancient DNA KW - development KW - forelimb Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-431599 SN - 1866-8372 IS - 1117 ER - TY - GEN A1 - Gamba, Cristina A1 - Jones, Eppie R. A1 - Teasdale, Matthew D. A1 - McLaughlin, Russell L. A1 - González-Fortes, Gloria M. A1 - Mattiangeli, Valeria A1 - Domboróczki, László A1 - Kővári, Ivett A1 - Pap, Ildikó A1 - Anders, Alexandra A1 - Whittle, Alasdair A1 - Dani, János A1 - Raczky, Pál A1 - Higham, Thomas F. G. A1 - Hofreiter, Michael A1 - Bradley, Daniel G. A1 - Pinhasi, Ron T1 - Genome flux and stasis in a five millennium transect of European prehistory T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The Great Hungarian Plain was a crossroads of cultural transformations that have shaped European prehistory. Here we analyse a 5,000-year transect of human genomes, sampled from petrous bones giving consistently excellent endogenous DNA yields, from 13 Hungarian Neolithic, Copper, Bronze and Iron Age burials including two to high (similar to 22x) and seven to similar to 1x coverage, to investigate the impact of these on Europe's genetic landscape. These data suggest genomic shifts with the advent of the Neolithic, Bronze and Iron Ages, with interleaved periods of genome stability. The earliest Neolithic context genome shows a European hunter-gatherer genetic signature and a restricted ancestral population size, suggesting direct contact between cultures after the arrival of the first farmers into Europe. The latest, Iron Age, sample reveals an eastern genomic influence concordant with introduced Steppe burial rites. We observe transition towards lighter pigmentation and surprisingly, no Neolithic presence of lactase persistence. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1332 KW - ancient DNA KW - lactase-persistence KW - positive selection KW - patterns KW - sequence KW - farmers KW - pigmentation KW - homozygosity KW - ancestry KW - skin Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-437999 SN - 1866-8372 VL - 5 IS - 1332 ER - TY - THES A1 - Schulte, Luise T1 - Dynamics of Larix (Mill.) species in Siberia during the last 50,000 years inferred from sedimentary ancient DNA T1 - Die Dynamik sibirischer Lärchenarten (Larix Mill.) während der der letzten 50.000 Jahre, untersucht mittels sedimentärer alter DNA N2 - The deciduous needle tree larch (Larix Mill.) covers more than 80% of the Asian boreal forests. Only a few Larix species constitute the vast forests and these species differ markedly in their ecological traits, most importantly in their ability to grow on and stabilize underlying permafrost. The pronounced dominance of the summergreen larches makes the Asian boreal forests unique, as the rest of the northern hemisphere boreal forests is almost exclusively dominated by evergreen needle-leaf forests. Global warming is impacting the whole world but is especially pronounced in the arctic and boreal regions. Although adapted to extreme climatic conditions, larch forests are sensitive to varying climatic conditions. By their sheer size, changes in Asian larch forests as range shifts or changes in species composition and the resulting vegetation-climate feedbacks are of global relevance. It is however still uncertain if larch forests will persist under the ongoing warming climate or if they will be replaced by evergreen forests. It is therefore of great importance to understand how these ecosystems will react to future climate warmings and if they will maintain their dominance. One step in the better understanding of larch dynamics is to study how the vast dominant forests developed and why they only established in northern Asia. A second step is to study how the species reacted to past changes in the climate. The first objective of this thesis was to review and identify factors promoting Asian larch dominance. I achieved this by synthesizing and comparing reported larch occurrences and influencing components on the northern hemisphere continents in the present and in the past. The second objective was to find a possibility to directly study past Larix populations in Siberia and specifically their genetic variation, enabling the study of geographic movements. For this, I established chloroplast enrichment by hybridization capture from sedimentary ancient DNA (sedaDNA) isolated from lake sediment records. The third objective was to use the established method to track past larch populations, their glacial refugia during the Last Glacial Maximum (LGM) around 21,000 years before present (ka BP), and their post-glacial migration patterns. To study larch promoting factors, I compared the present state of larch species ranges, areas of dominance, their bioclimatic niches, and the distribution on different extents and thaw depths of permafrost. The species comparison showed that the bioclimatic niches greatly overlap between the American and Asian species and that it is only in the extremely continental climates in which only the Asian larch species can persist. I revealed that the area of dominance is strongly connected to permafrost extent but less linked to permafrost seasonal thaw depths. Comparisons of the paleorecord of larch between the continents suggest differences in the recolonization history. Outside of northern Asia and Alaska, glacial refugial populations of larch were confined to the southern regions and thus recolonization could only occur as migration from south to north. Alaskan larch populations could not establish wide-range dominant forest which could be related to their own genetically depletion as separated refugial population. In Asia, it is still unclear whether or not the northern refugial populations contributed and enhanced the postglacial colonization or whether they were replaced by populations invading from the south in the course of climate warming. Asian larch dominance is thus promoted partly by adaptions to extremely continental climates and by adaptations to grow on continuous permafrost but could be also connected to differences in glacial survival and recolonization history of Larix species. Except for extremely rare macrofossil findings of fossilized cones, traditional methods to study past vegetation are not able to distinguish between larch species or populations. Within the scope of this thesis, I therefore established a method to retrieve genetic information of past larch populations to distinguish between species. Using the Larix chloroplast genome as target, I successfully applied the method of DNA target enrichment by hybridization capture on sedaDNA samples from lake records and showed that it is able to distinguish between larch species. I then used the method on samples from lake records from across Siberia dating back up to 50 ka BP. The results allowed me to address the question of glacial survival and post-glacial recolonization mode in Siberian larch species. The analyzed pattern showed that LGM refugia were almost exclusively constituted by L. gmelinii, even in sites of current L. sibirica distribution. For included study sites, L. sibirica migrated into its extant northern distribution area only in the Holocene. Consequently, the post-glacial recolonization of L. sibirica was not enhanced by northern glacial refugia. In case of sites in extant distribution area of L. gmelinii, the absence of a genetic turn-over point to a continuous population rather than an invasion of southern refugia. The results suggest that climate has a strong influence on the distribution of Larix species and that species may also respond differently to future climate warming. Because species differ in their ecological characteristics, species distribution is also relevant with respect to further feedbacks between vegetation and climate. With this thesis, I give an overview of present and past larch occurrences and evaluate which factors promote their dominance. Furthermore, I provide the tools to study past Larix species and give first important insights into the glacial history of Larix populations. N2 - Der sommergrüne Nadelbaum Lärche (Larix Mill.) bedeckt mehr als 80 % der Fläche der borealen Wälder Asiens. Nur wenige Lärchenarten bilden ausgedehnte Wälder und diese Arten unterscheiden sich deutlich in ihren ökologischen Eigenschaften, vor allem in ihrer Fähigkeit, auf Permafrost zu wachsen und diesen zu stabilisieren. Die ausgeprägte Dominanz der sommergrünen Lärchen macht die asiatischen borealen Wälder einzigartig, da der Rest der borealen Wälder der Nordhalbkugel fast ausschließlich von immergrünen Nadelwäldern dominiert wird. Die Klimaerwärmung wirkt sich auf die ganze Welt aus, ist aber in den arktischen und borealen Regionen besonders ausgeprägt. Obwohl die Lärchenwälder an extreme klimatische Bedingungen angepasst sind, reagieren sie empfindlich auf klimatische Schwankungen. Aufgrund ihrer schieren Größe sind Veränderungen in asiatischen Lärchenwäldern, wie z. B. Verschiebungen des Verbreitungsgebiets oder Veränderungen in der Artenzusammensetzung und die daraus resultierenden Rückkopplungen zwischen Vegetation und Klima, von globaler Bedeutung. Es ist jedoch noch ungewiss, ob die Lärchenwälder unter der fortschreitenden Klimaerwärmung bestehen bleiben oder durch immergrüne Wälder ersetzt werden. Es ist daher von großer Bedeutung zu verstehen, wie diese Ökosysteme auf die künftige Klimaerwärmung reagieren werden und ob sie ihre Dominanz behalten werden. Ein Schritt zum besseren Verständnis der Lärchendynamik besteht darin, zu untersuchen, wie die riesigen dominanten Wälder von heute entstanden sind und warum sie sich nur in Nordasien etabliert haben. In einem zweiten Schritt soll untersucht werden, wie die Art auf vergangene Klimaveränderungen reagiert hat. Das erste Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Faktoren zu ermitteln, die die Dominanz der asiatischen Lärche begünstigen. Dies erreichte ich, indem ich die dokumentierten Lärchenvorkommen und die sie beeinflussenden Komponenten auf den Kontinenten der nördlichen Hemisphäre in der Gegenwart und in der Vergangenheit gesammelt und verglichen habe. Das zweite Ziel bestand darin, eine Möglichkeit zu finden, frühere Lärchenpopulationen in Sibirien und insbesondere ihre genetische Variation direkt zu studieren, um geografische Bewegungen untersuchen zu können. Dafür etablierte ich die Methode der Anreicherung von Chloroplasten durch Hybridisierung von alter sedimentärer DNA (sedaDNA) isoliert aus Seesedimenten. Das dritte Ziel bestand darin, die etablierte Methode zu nutzen, um vergangene Lärchenpopulationen, ihre eiszeitlichen Refugien während des letzten glazialen Maximums (LGM) um ca. 21.000 Jahre vor der Gegenwart (ka BP) und ihre nacheiszeitlichen Migrationsmuster zu verfolgen. Um die Faktoren zu untersuchen, die die Ausbreitung der Lärche begünstigen, verglich ich den gegenwärtigen Stand der Verbreitungsgebiete der Lärchenarten, die Gebiete, in denen sie vorherrschen, ihre bioklimatischen Nischen und die Verteilung auf verschiedene Ausdehnungen und Auftautiefen des Permafrosts. Der Artenvergleich zeigte, dass sich die bioklimatischen Nischen der amerikanischen und asiatischen Arten stark überschneiden und dass nur in den extrem kontinentalen Klimazonen ausschließlich die asiatischen Lärchenarten überleben können. Es zeigte sich, dass das Verbreitungsgebiet stark mit der Permafrostausdehnung zusammenhängt, aber weniger mit der saisonalen Auftautiefe des Permafrosts. Der Vergleich vergangener Lärchenvorkommen zwischen den Kontinenten deutet auf Unterschiede in der Rekolonisationsgeschichte hin. Außerhalb Nordasiens und Alaskas waren die eiszeitlichen Lärchenpopulationen auf die südlichen Regionen beschränkt, so dass die Wiederbesiedlung nur als Wanderung von Süden nach Norden erfolgen konnte. Die Lärchenpopulationen in Alaska konnten keinen weiträumig dominanten Wald etablieren, was mit ihrer eigenen genetischen Verarmung als abgeschiedene Refugialpopulation zusammenhängen könnte. In Asien ist noch unklar, ob die nördlichen Refugialpopulationen zur nacheiszeitlichen Besiedlung beigetragen und diese verstärkt haben oder ob sie im Zuge der Klimaerwärmung durch von Süden eindringende Populationen ersetzt wurden. Die Dominanz der asiatischen Lärche wird also zum Teil durch Anpassungen an das extrem kontinentale Klima und durch Anpassungen an das Wachstum auf kontinuierlichem Permafrost begünstigt, könnte aber auch mit Unterschieden in der glazialen Überlebens- und Rekolonisationsgeschichte der Larix-Arten zusammenhängen. Abgesehen von den äußerst seltenen Makrofossilienfunden versteinerter Zapfen sind die herkömmlichen Methoden zur Untersuchung der vergangenen Vegetation nicht in der Lage, zwischen Lärchenarten oder -populationen zu unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich daher eine Methode zur Gewinnung genetischer Informationen früherer Lärchenpopulationen entwickelt, um zwischen den Arten zu unterscheiden. Unter Verwendung des Larix-Chloroplastengenoms habe ich die Methode der DNA-Anreicherung durch Hybridisierung erfolgreich auf sedaDNA-Proben aus See-sedimentbohrkernen angewandt und gezeigt, dass die Methode erlaubt zwischen Lärchenarten zu unterscheiden. Anschließend wendete ich die Methode auf Proben aus Seen in ganz Sibirien an, die bis zu 50 ka BP zurückreichen. Anhand der Ergebnisse konnte ich zur Beantwortung der Frage beitragen, welche sibirische Lärchenarten während des LGM überlebten und wie die postglaziale Wiederbesiedlung stattfand. Das analysierte Muster zeigte, dass die LGM-Refugien fast ausschließlich von L. gmelinii gebildet wurden, selbst an Orten, an denen heute L. sibirica verbreitet ist. In den untersuchten Gebieten ist L. sibirica erst im Holozän in ihr heutiges nördliches Verbreitungsgebiet eingewandert. Folglich wurde die nacheiszeitliche Wiederbesiedlung von L. sibirica nicht durch nördliche eiszeitliche Refugien gefördert. Im Falle der Standorte im heutigen Verbreitungsgebiet von L. gmelinii deutet das Fehlen eines Wechsels genetischer Variation eher auf eine kontinuierliche Population als auf eine Invasion aus südlichen Refugien hin. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Klima einen starken Einfluss auf die Verbreitung von Larix-Arten hat und die Arten auch auf zukünftige Klimaerwärmung unterschiedlich reagieren könnten. Da die Arten sich in ihren ökologischen Eigenschaften unterscheiden, ist eine Änderung in der Verbreitung der Arten auch im Hinblick auf weitere Rückkopplungen zwischen Vegetation und Klima relevant. In dieser Arbeit gebe ich einen Überblick über die heutigen und früheren Lärchenvorkommen und bewerte, welche Faktoren ihre Dominanz begünstigen. Darüber hinaus stelle ich eine Methode zur Untersuchung vergangener Lärchenarten bereit und gebe erste wichtige Einblicke in ihre glaziale Geschichte. KW - ancient DNA KW - ancient sedimentary DNA KW - Larix KW - larch KW - glacial refugia KW - postglacial recolonization KW - phylogeography KW - hybridization capture KW - target enrichment KW - shotgun sequencing KW - chloroplast KW - Siberia KW - Larix KW - Sibirien KW - alte DNA KW - alte sedimentäre DNA KW - Chloroplast KW - glaziale Refugien KW - Lärche KW - Phylogeographie KW - nacheiszeitliche Wiederbesiedlung KW - Shotgun Sequenzierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558782 ER - TY - GEN A1 - Barlow, Axel A1 - Hartmann, Stefanie A1 - Gonzalez, Javier A1 - Hofreiter, Michael A1 - Paijmans, Johanna L. A. T1 - Consensify BT - a method for generating pseudohaploid genome sequences from palaeogenomic datasets with reduced error rates T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - A standard practise in palaeogenome analysis is the conversion of mapped short read data into pseudohaploid sequences, frequently by selecting a single high-quality nucleotide at random from the stack of mapped reads. This controls for biases due to differential sequencing coverage, but it does not control for differential rates and types of sequencing error, which are frequently large and variable in datasets obtained from ancient samples. These errors have the potential to distort phylogenetic and population clustering analyses, and to mislead tests of admixture using D statistics. We introduce Consensify, a method for generating pseudohaploid sequences, which controls for biases resulting from differential sequencing coverage while greatly reducing error rates. The error correction is derived directly from the data itself, without the requirement for additional genomic resources or simplifying assumptions such as contemporaneous sampling. For phylogenetic and population clustering analysis, we find that Consensify is less affected by artefacts than methods based on single read sampling. For D statistics, Consensify is more resistant to false positives and appears to be less affected by biases resulting from different laboratory protocols than other frequently used methods. Although Consensify is developed with palaeogenomic data in mind, it is applicable for any low to medium coverage short read datasets. We predict that Consensify will be a useful tool for future studies of palaeogenomes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1033 KW - palaeogenomics KW - ancient DNA KW - sequencing error KW - error reduction KW - D statistics KW - bioinformatics Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472521 SN - 1866-8372 IS - 1033 ER - TY - GEN A1 - Elsner, Julia A1 - Schibler, Jörg A1 - Hofreiter, Michael A1 - Schlumbaum, Angela T1 - Burial condition is the most important factor for mtDNA PCR amplification success in Palaeolithic equid remains from the Alpine foreland T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Faunal remains from Palaeolithic sites are important genetic sources to study preglacial and postglacial populations and to investigate the effect of climate change and human impact. Post mortem decay, resulting in fragmented and chemically modified DNA, is a key obstacle in ancient DNA analyses. In the absence of reliable methods to determine the presence of endogenous DNA in sub-fossil samples, temporal and spatial surveys of DNA survival on a regional scale may help to estimate the potential of faunal remains from a given time period and region. We therefore investigated PCR amplification success, PCR performance and post mortem damage in c. 47,000 to c. 12,000-year-old horse remains from 14 Palaeolithic sites along the Swiss Jura Mountains in relation to depositional context, tissue type, storage time and age, potentially influencing DNA preservation. The targeted 75 base pair mitochondrial DNA fragment could be amplified solely from equid remains from caves and not from any of the open dry and (temporary) wetland sites. Whether teeth are better than bones cannot be ultimately decided; however, both storage time after excavation and age significantly affect PCR amplification and performance, albeit not in a linear way. This is best explained by the—inevitable—heterogeneity of the data set. The extent of post mortem damage is not related to any of the potential impact factors. The results encourage comprehensive investigations of Palaeolithic cave sites, even from temperate regions. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 727 KW - ancient DNA KW - DNA preservation KW - horse KW - cave KW - Switzerland Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429763 SN - 1866-8372 IS - 727 SP - 505 EP - 515 ER -