The Bronze Age of Eurasia (around 3000–1000 BC) was a period of major cultural changes. However, there is debate about whether these changes resulted from the circulation of ideas or from human migrations, potentially also facilitating the spread of languages and certain phenotypic traits. We investigated this by using new, improved methods to sequence low-coverage genomes from 101 ancient humans from across Eurasia. We show that the Bronze Age was a highly dynamic period involving large-scale population migrations and replacements, responsible for shaping major parts of present-day demographic structure in both Europe and Asia. Our findings are consistent with the hypothesized spread of Indo-European languages during the Early Bronze Age. We also demonstrate that light skin pigmentation in Europeans was already present at high frequency in the Bronze Age, but not lactose tolerance, indicating a more recent onset of positive selection on lactose tolerance than previously thought. An analysis of 101 ancient human genomes from the Bronze Age (3000–1000 bc) reveals large-scale population migrations in Eurasia consistent with the spread of Indo-European languages; individuals frequently had light skin pigmentation but were not lactose tolerant. Was the Bronze Age of a period of major cultural changes because of circulation of ideas or because of large-scale migrations? The authors sequence and analyse low-coverage genomes from 101 ancient humans from across Eurasia to reveal large-scale population migrations and replacements during this time. Analyses indicate that light skin pigmentation was already frequent among Europeans in the Bronze Age but not lactose tolerance, indicating a more recent onset of positive selection on the latter trait than previously believed. The reported findings are also consistent with the spread of Indo-European languages during the Early Bronze Age reported on page 207 of this issue.

From around 2750 to 2500 bc, Bell Beaker pottery became widespread across western and central Europe, before it disappeared between 2200 and 1800 bc. The forces that propelled its expansion are a matter of long-standing debate, and there is support for both cultural diffusion and migration having a role in this process. Here we present genome-wide data from 400 Neolithic, Copper Age and Bronze Age Europeans, including 226 individuals associated with Beaker-complex artefacts. We detected limited genetic affinity between Beaker-complex-associated individuals from Iberia and central Europe, and thus exclude migration as an important mechanism of spread between these two regions. However, migration had a key role in the further dissemination of the Beaker complex. We document this phenomenon most clearly in Britain, where the spread of the Beaker complex introduced high levels of steppe-related ancestry and was associated with the replacement of approximately 90% of Britain's gene pool within a few hundred years, continuing the east-to-west expansion that had brought steppe-related ancestry into central and northern Europe over the previous centuries.

Farming was first introduced to Europe in the mid-seventh millennium bc, and was associated with migrants from Anatolia who settled in the southeast before spreading throughout Europe. Here, to understand the dynamics of this process, we analysed genome-wide ancient DNA data from 225 individuals who lived in southeastern Europe and surrounding regions between 12000 and 500 bc. We document a west–east cline of ancestry in indigenous hunter-gatherers and, in eastern Europe, the early stages in the formation of Bronze Age steppe ancestry. We show that the first farmers of northern and western Europe dispersed through southeastern Europe with limited hunter-gatherer admixture, but that some early groups in the southeast mixed extensively with hunter-gatherers without the sex-biased admixture that prevailed later in the north and west. We also show that southeastern Europe continued to be a nexus between east and west after the arrival of farmers, with intermittent genetic contact with steppe populations occurring up to 2,000 years earlier than the migrations from the steppe that ultimately replaced much of the population of northern Europe. Genome-wide ancient DNA data from 225 individuals who lived in southeastern Europe between 12000 and 500 bc reveals that the region acted as a genetic crossroads before and after the arrival of farming. The early spread of farmers across Europe has previously been thought to be part of a single migration event. David Reich and colleagues analyse genome-wide data from 225 individuals who lived in southeastern Europe and the surrounding regions between 12000 and 500 BC. They analyse this in combination with previous genomic datasets to characterize genetic structure and update existing models of the spread of farming into and across Europe. They find that southeastern Europe served as a contact zone between east and west, with interactions between diverged groups of hunter-gatherers starting before the arrival of farming. The authors also find evidence for male-biased admixture between hunter-gatherers and farmers in central Europe during the Middle Neolithic. Elsewhere in this issue, David Reich and colleagues report genomic insights into the Beaker culture—characterized by the use of a distinctive pottery style during the end of the Neolithic—based on genome-wide data from 400 Neolithic, Copper Age and Bronze Age Europeans, from 136 different archaeological sites, and including 226 Beaker-associated individuals.

Abstract Farming was first introduced to southeastern Europe in the mid-7 th millennium BCE – brought by migrants from Anatolia who settled in the region before spreading throughout Europe. To clarify the dynamics of the interaction between the first farmers and indigenous hunter-gatherers where they first met, we analyze genome-wide ancient DNA data from 223 individuals who lived in southeastern Europe and surrounding regions between 12,000 and 500 BCE. We document previously uncharacterized genetic structure, showing a West-East cline of ancestry in hunter-gatherers, and show that some Aegean farmers had ancestry from a different lineage than the northwestern Anatolian lineage that formed the overwhelming ancestry of other European farmers. We show that the first farmers of northern and western Europe passed through southeastern Europe with limited admixture with local hunter-gatherers, but that some groups mixed extensively, with relatively sex-balanced admixture compared to the male-biased hunter-gatherer admixture that prevailed later in the North and West. Southeastern Europe continued to be a nexus between East and West after farming arrived, with intermittent genetic contact from the Steppe up to 2,000 years before the migration that replaced much of northern Europe’s population.

Abstract Human culture, biology, and health were shaped dramatically by the onset of agriculture ~12,000 years before present (BP). Subsistence shifts from hunting and gathering to agriculture are hypothesized to have resulted in increased individual fitness and population growth as evidenced by archaeological and population genomic data alongside a simultaneous decline in physiological health as inferred from paleopathological analyses and stature reconstructions of skeletal remains. A key component of the health decline inference is that relatively shorter statures observed for early farmers may (at least partly) reflect higher childhood disease burdens and poorer nutrition. However, while such stresses can indeed result in growth stunting, height is also highly heritable, and substantial inter-individual variation in the height genetic component within a population is typical. Moreover, extensive migration and gene flow were characteristics of multiple agricultural transitions worldwide. Here, we consider both osteological and ancient DNA data from the same prehistoric individuals to comprehensively study the trajectory of human stature variation as a proxy for health across a transition to agriculture. Specifically, we compared ‘predicted’ genetic contributions to height from paleogenomic data and ‘achieved’ adult osteological height estimated from long bone measurements on a per-individual basis for n=160 ancient Europeans from sites spanning the Upper Paleolithic to the Iron Age (~38,000-2,400 BP). We found that individuals from the Neolithic were shorter than expected (given their individual polygenic height scores) by an average of −4.47 cm relative to individuals from the Upper Paleolithic and Mesolithic (P=0.016). The average osteological vs. expected stature then increased relative to the Neolithic over the Copper (+2.67 cm, P=0.052), Bronze (+3.33 cm, P=0.032), and Iron Ages (+3.95 cm, P=0.094). These results were partly attenuated when we accounted for genome-wide genetic ancestry variation in our sample (which we note is partly duplicative with the individual polygenic score information). For example, in this secondary analysis Neolithic individuals were −3.48 cm shorter than expected on average relative to individuals from the Upper Paleolithic and Mesolithic (P=0.056). We also incorporated observations of paleopathological indicators of non-specific stress that can persist from childhood to adulthood in skeletal remains (linear enamel hypoplasia, cribra orbitalia, and porotic hyperostosis) into our model. Overall, our work highlights the potential of integrating disparate datasets to explore proxies of health in prehistory.

The Yamnaya archaeological complex appeared around 3300BCE across the steppes north of the Black and Caspian Seas, and by 3000BCE reached its maximal extent from Hungary in the west to Kazakhstan in the east. To localize the ancestral and geographical origins of the Yamnaya among the diverse Eneolithic people that preceded them, we studied ancient DNA data from 428 individuals of which 299 are reported for the first time, demonstrating three previously unknown Eneolithic genetic clines. First, a “Caucasus-Lower Volga” (CLV) Cline suffused with Caucasus hunter-gatherer (CHG) ancestry extended between a Caucasus Neolithic southern end in Neolithic Armenia, and a steppe northern end in Berezhnovka in the Lower Volga. Bidirectional gene flow across the CLV cline created admixed intermediate populations in both the north Caucasus, such as the Maikop people, and on the steppe, such as those at the site of Remontnoye north of the Manych depression. CLV people also helped form two major riverine clines by admixing with distinct groups of European hunter-gatherers. A “Volga Cline” was formed as Lower Volga people mixed with upriver populations that had more Eastern hunter-gatherer (EHG) ancestry, creating genetically hyper-variable populations as at Khvalynsk in the Middle Volga. A “Dnipro Cline” was formed as CLV people bearing both Caucasus Neolithic and Lower Volga ancestry moved west and acquired Ukraine Neolithic hunter-gatherer (UNHG) ancestry to establish the population of the Serednii Stih culture from which the direct ancestors of the Yamnaya themselves were formed around 4000BCE. This population grew rapidly after 3750-3350BCE, precipitating the expansion of people of the Yamnaya culture who totally displaced previous groups on the Volga and further east, while admixing with more sedentary groups in the west. CLV cline people with Lower Volga ancestry contributed four fifths of the ancestry of the Yamnaya, but also, entering Anatolia from the east, contributed at least a tenth of the ancestry of Bronze Age Central Anatolians, where the Hittite language, related to the Indo-European languages spread by the Yamnaya, was spoken. We thus propose that the final unity of the speakers of the “Proto-Indo-Anatolian” ancestral language of both Anatolian and Indo-European languages can be traced to CLV cline people sometime between 4400-4000 BCE. Abstract Figure Summary Figure: The origin of Indo-Anatolian and Indo-European languages. Genetic reconstruction of the ancestry of Pontic-Caspian steppe and West Asian populations points to the North Caucasus-Lower Volga area as the homeland of Indo-Anatolian languages and to the Serednii Stih archaeological culture of the Dnipro-Don area as the homeland of Indo-European languages. The Caucasus-Lower Volga people had diverse distal roots, estimated using the qpAdm software on the left barplot, as Caucasus hunter-gatherer (purple), Central Asian (red), Eastern hunter-gatherer (pink), and West Asian Neolithic (green). Caucasus-Lower Volga expansions, estimated using qpAdm on the right barplot as disseminated Caucasus Neolithic (blue)-Lower Volga Eneolithic (orange) proximal ancestries, mixing with the inhabitants of the North Pontic region (yellow), Volga region (yellow), and West Asia (green).

ABSTRACT Ancient DNA sampling methods—although optimized for efficient DNA extraction—are destructive, relying on drilling or cutting and powdering (parts of) bones and teeth. As the field of ancient DNA has grown, so have concerns about the impact of destructive sampling of the skeletal remains from which ancient DNA is obtained. Due to a particularly high concentration of endogenous DNA, the cementum of tooth roots is often targeted for ancient DNA sampling, but standard destructive sampling methods often result in the loss of at least one entire root. Here, we present a minimally destructive method for extracting ancient DNA from dental cementum present on the surface of tooth roots. This method does not require destructive drilling or grinding, and, following extraction, the tooth remains safe to handle and suitable for most morphological studies, as well as other biochemical studies, such as radiocarbon dating. We extracted and sequenced ancient DNA from 30 teeth (and 9 corresponding petrous bones) using this minimally destructive extraction method in addition to a typical tooth sampling method. We find that the minimally destructive method can provide ancient DNA that is of comparable quality to extracts produced from teeth that have undergone destructive sampling processes. Further, we find that a rigorous cleaning of the tooth surface combining diluted bleach and UV light irradiation seems sufficient to minimize external contaminants usually removed through the physical removal of a superficial layer when sampling through regular powdering methods.

DNA recovery from ancient human remains has revolutionized our ability to reconstruct the genetic landscape of the past. Ancient DNA research has benefited from the identification of skeletal elements, such as the cochlear part of the osseous inner ear, that provide optimal contexts for DNA preservation; however, the rich genetic information obtained from the cochlea must be counterbalanced against the loss of valuable morphological information caused by its sampling. Motivated by similarities in developmental processes and histological properties between the cochlea and auditory ossicles, we evaluated the efficacy of ossicles as an alternative source of ancient DNA. We demonstrate that ossicles perform comparably to the cochlea in terms of DNA recovery, finding no substantial reduction in data quality, quantity, or authenticity across a range of preservation conditions. Ossicles can be sampled from intact skulls or disarticulated petrous bones without damage to surrounding bone, and we argue that, when available, they should be selected over the cochlea to reduce damage to skeletal integrity. These results identify a second optimal skeletal element for ancient DNA analysis and add to a growing toolkit of sampling methods that help to better preserve skeletal remains for future research while maximizing the likelihood that ancient DNA analysis will produce useable results.

Abstract The Linearbandkeramik (LBK) Neolithic communities were the first to spread farming across large parts of central Europe, settling fertile regions from Ukraine to France during the second half of the 6th millennium BCE. The LBK had a high degree of material culture uniformity, albeit with regional differences in settlement patterns, subsistence, and mortuary practices. To date, ancient DNA data from LBK individuals have been generated for a limited number of locations and often in small sample sizes, making it challenging to study variation within and across sites. We report genome-wide data for 178 LBK individuals, from the Alföld Linearbankeramik Culture (ALPC) eastern LBK site of Polgár-Ferenci-hát in Hungary, the western LBK site of Nitra in Slovakia, and the enclosed western LBK settlement and massacre site of Schletz in Austria, as well as 42 LBK individuals from 18 other sites. We also report genome-wide data for 28 Early Neolithic Körös and Starčevo individuals from 13 sites, viewed as the predecessors of the LBK. We observe a higher percentage of western hunter-gatherer (WHG) admixture among individuals in the eastern LBK than in the far more widely distributed western LBK, showing that these two archaeologically distinct cultures also had different genetic trajectories. Most WHG-farmer mixture occurred just before the dawn of the LBK culture and there is no evidence that the WHG ancestry came systematically more from males or females. However, we do find strong genetic evidence for patrilocality among the LBK, extending previous findings based on isotopic analysis, with more genetic structure across sites on the male than on the female line, and a higher rate of within-site relatives for males. At Schletz we detect almost no first-degree relatives despite reporting data from almost every skeleton present at the site, showing that this massacre involved people from a large population, not a small community.

Summary As the collapse of the Western Roman Empire accelerated during the 4th and 5th centuries, arriving “barbarian” groups began to establish new communities in the border provinces of the declining (and eventually former) empire. This was a time of significant cultural and political change throughout not only these border regions but Europe as a whole. 1,2 To better understand post-Roman community formation in one of these key frontier zones after the collapse of the Hunnic movement, we generated new paleogenomic data for a set of 38 burials from a time series of three 5th century cemeteries 3–5 at Lake Balaton, Hungary. We utilized a comprehensive sampling approach to characterize these cemeteries along with data from 38 additional burials from a previously published mid-6th century site 6 and analyzed them alongside data from over 550 penecontemporaneous individuals 7–19 . The range of genetic diversity in all four of these local burial communities is extensive and wider ranging than penecontemporaneous Europeans sequenced to date. Despite many commonalities in burial representation and demography, we find that there were substantial differences in genetic ancestry between the sites. We detect evidence of northern European gene flow into the Lake Balaton region. Additionally, we observe a statistically significant association between dress artefacts and genetic ancestry among 5th century genetically female burials. Our analysis shows that the formation of early Medieval communities was a multifarious process even at a local level, consisting of genetically heterogeneous groups.