Abstract In northwestern Africa, lifestyle transitioned from foraging to food production around 7,400 years ago but what sparked that change remains unclear. Archaeological data support conflicting views: (1) that migrant European Neolithic farmers brought the new way of life to North Africa 1–3 or (2) that local hunter-gatherers adopted technological innovations 4,5 . The latter view is also supported by archaeogenetic data 6 . Here we fill key chronological and archaeogenetic gaps for the Maghreb, from Epipalaeolithic to Middle Neolithic, by sequencing the genomes of nine individuals (to between 45.8- and 0.2-fold genome coverage). Notably, we trace 8,000 years of population continuity and isolation from the Upper Palaeolithic, via the Epipaleolithic, to some Maghrebi Neolithic farming groups. However, remains from the earliest Neolithic contexts showed mostly European Neolithic ancestry. We suggest that farming was introduced by European migrants and was then rapidly adopted by local groups. During the Middle Neolithic a new ancestry from the Levant appears in the Maghreb, coinciding with the arrival of pastoralism in the region, and all three ancestries blend together during the Late Neolithic. Our results show ancestry shifts in the Neolithization of northwestern Africa that probably mirrored a heterogeneous economic and cultural landscape, in a more multifaceted process than observed in other regions.

Abstract High quality reference genomes are an important resource in genomic research projects. A consequence is that DNA fragments carrying the reference allele will be more likely to map suc-cessfully, or receive higher quality scores. This reference bias can have effects on downstream population genomic analysis when heterozygous sites are falsely considered homozygous for the reference allele. In palaeogenomic studies of human populations, mapping against the human reference genome is used to identify endogenous human sequences. Ancient DNA studies usually operate with low sequencing coverages and fragmentation of DNA molecules causes a large proportion of the sequenced fragments to be shorter than 50 bp – reducing the amount of accepted mismatches, and increasing the probability of multiple matching sites in the genome. These ancient DNA specific properties are potentially exacerbating the impact of reference bias on downstream analyses, especially since most studies of ancient human populations use pseudohaploid data, i.e. they randomly sample only one sequencing read per site. We show that reference bias is pervasive in published ancient DNA sequence data of pre-historic humans with some differences between individual genomic regions. We illustrate that the strength of reference bias is negatively correlated with fragment length. Reference bias can cause differences in the results of downstream analyses such as population affinities, heterozygosity estimates and estimates of archaic ancestry. These spurious results highlight how important it is to be aware of these technical artifacts and that we need strategies to mitigate the effect. Therefore, we suggest some post-mapping filtering strategies to resolve reference bias which help to reduce its impact substantially.

Abstract The Middle East plays a central role in human history harbouring a vast diversity of ethnic, cultural and religious groups. However, much remains to be understood about past and present genomic diversity in this region. Here, we present for the first time, a multidisciplinary bioarchaeological analysis of two individuals dated to late 7th and early 8th centuries from Tell Qarassa, an open-air site in modern-day Syria. Radiocarbon dates, religious and cultural burial evidence indicate that this site represents one of the earliest Islamic Arab burials in the Levant during the Late Antiquity period. Interestingly, we found genomic similarity to a genotyped group of modern-day Bedouins and Saudi rather than to most neighbouring Levantine groups. This is highlighted through substantial Neolithic Levant ancestry in our samples, inviting an alternative scenario of long-term continuity in this region. This raises questions about the influence of ancient populations and historical migrations to genetic structure in the Middle East. As our study represents the first genomic analysis of an early Islamic burial in the Levant, we discuss our findings and possible historic scenarios in light of forces such as genetic drift and their possible interaction with religious and cultural processes.

Abstract The possibility to obtain genome-wide ancient DNA data from multiple individuals has facilitated an unprecedented perspective into prehistoric societies. Studying biological relatedness in these groups requires tailored approaches for analyzing ancient DNA due to its low coverage, post-mortem damage, and potential ascertainment bias. Here we present READv2 (Relatedness Estimation from Ancient DNA version 2), an improved Python 3 re-implementation of the most widely used tool for this purpose. While providing increased portability and making the software future-proof, we are also able to show that READv2 (a) is orders of magnitude faster than its predecessor; (b) has increased power to detect pairs of relatives using optimized default parameters; and, when the number of overlapping SNPs is sufficient, (c) can differentiate between full-siblings and parent-offspring, and (d) can classify pairs of third-degree relatedness. We further use READv2 to analyze a large empirical dataset that has previously needed two separate tools to reconstruct complex pedigrees. We show that READv2 yields results and precision similar to the combined approach but is faster and simpler to run. READv2 will become a valuable part of the archaeogenomic toolkit in providing an efficient and user-friendly classification of biological relatedness from pseudohaploid ancient DNA data.

Sheep are among the earliest domesticated livestock species, with a wide variety of breeds present today. However, it remains unclear how far back this diversity goes, with formal documentation only dating back a few centuries. North European short-tailed (NEST) breeds are often assumed to be among the oldest domestic sheep populations, even thought to represent relicts of the earliest sheep expansions during the Neolithic period reaching Scandinavia <6,000 years ago. This study sequenced the genomes (up to 11.6X) of five sheep remains from the Baltic islands of Gotland and Åland, dating from the Late Neolithic (∼4,100 cal BP) to historical times (∼1,600 CE). Our findings indicate that these ancient sheep largely possessed the genetic characteristics of modern NEST breeds, suggesting a substantial degree of long-term continuity of this sheep type in the Baltic Sea region. Despite the wide temporal spread, population genetic analyses show high levels of affinity between the ancient genomes and they also exhibit relatively high genetic diversity when compared to modern NEST breeds, implying a loss of diversity in most breeds during the last centuries associated with breed formation and recent bottlenecks. Our results shed light on the development of breeds in Northern Europe specifically as well as the development of genetic diversity in sheep breeds, and their expansion from the domestication center in general.

Archaeogenomic research has proven to be a valuable tool to trace migrations of historic and prehistoric individuals and groups, whereas relationships within a group or burial site have not been investigated to a large extent. Knowing the genetic kinship of historic and prehistoric individuals would give important insights into social structures of ancient and historic cultures. Most archaeogenetic research concerning kinship has been restricted to uniparental markers, while studies using genome-wide information were mainly focused on comparisons between populations. Applications which infer the degree of relationship based on modern-day DNA information typically require diploid genotype data. Low concentration of endogenous DNA, fragmentation and other post-mortem damage to ancient DNA (aDNA) makes the application of such tools unfeasible for most archaeological samples. To infer family relationships for degraded samples, we developed the software READ (Relationship Estimation from Ancient DNA). We show that our heuristic approach can successfully infer up to second degree relationships with as little as 0.1x shotgun coverage per genome for pairs of individuals. We uncover previously unknown relationships among prehistoric individuals by applying READ to published aDNA data from several human remains excavated from different cultural contexts. In particular, we find a group of five closely related males from the same Corded Ware culture site in modern-day Germany, suggesting patrilocality, which highlights the possibility to uncover social structures of ancient populations by applying READ to genome-wide aDNA data.

Dramatic events in human prehistory, such as the spread of agriculture to Europe from Anatolia and the Late Neolithic/Bronze Age (LNBA) migration from the Pontic-Caspian steppe, can be investigated using patterns of genetic variation among the people that lived in those times. In particular, studies of differing female and male demographic histories on the basis of ancient genomes can provide information about complexities of social structures and cultural interactions in prehistoric populations. We use a mechanistic admixture model to compare the sex-specifically-inherited X chromosome to the autosomes in 20 early Neolithic and 16 LNBA human remains. Contrary to previous hypotheses suggested by the patrilocality of many agricultural populations, we find no evidence of sex-biased admixture during the migration that spread farming across Europe during the early Neolithic. For later migrations from the Pontic steppe during the LNBA, however, we estimate a dramatic male bias, with ~5-14 migrating males for every migrating female. We find evidence of ongoing, primarily male, migration from the steppe to central Europe over a period of multiple generations, with a level of sex bias that excludes a pulse migration during a single generation. The contrasting patterns of sex-specific migration during these two migrations suggest a view of differing cultural histories in which the Neolithic transition was driven by mass migration of both males and females in roughly equal numbers, perhaps whole families, whereas the later Bronze Age migration and cultural shift were instead driven by male migration, potentially connected to new technology and conquest.

Scandinavia was one of the last geographic areas in Europe to become habitable for humans after the last glaciation. However, the origin(s) of the first colonizers and their migration routes remain unclear. We sequenced the genomes, up to 57x coverage, of seven hunter-gatherers excavated across Scandinavia and dated to 9,500-6,000 years before present. Surprisingly, among the Scandinavian Mesolithic individuals, the genetic data display an east-west genetic gradient that opposes the pattern seen in other parts of Mesolithic Europe. This result suggests that Scandinavia was initially colonized following two different routes: one from the south, the other from the northeast. The latter followed the ice-free Norwegian north Atlantic coast, along which novel and advanced pressure-blade stone-tool techniques may have spread. These two groups met and mixed in Scandinavia, creating a genetically diverse population, which shows patterns of genetic adaptation to high latitude environments. These adaptations include high frequencies of low pigmentation variants and a gene-region associated with physical performance, which shows strong continuity into modern-day northern Europeans.

Most studies of local adaptation substitute the correlation between spatial distance and environmental heterogeneity for the temporal dynamics over which local adaptation evolves. The availability of detailed ecological and genomic information from lake sediments provides an opportunity to study local adaptation with unparalleled clarity from the temporal perspective. Inference can be further enhanced by including multiple lakes along ecological axes to further isolate the effects of ecological change in driving local adaptation. Lakes throughout the world face the impact of numerous anthropogenically induced environmental changes. Top among these is the eutrophication of freshwaters from agriculture, development and land-use change. Here we use the genetic information recorded in lake sediments of two lakes experiencing contrasting histories of land-use change to study the evolution of local adaptation in the lakes' Daphnia pulicaria populations. Utilizing nextRAD derived Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs), we studied the evolutionary trajectories of Daphnia pulicaria in both lakes. Using gene-environment correlations and Fst tests for selection we found SNPs that appear to be under selection in both lakes. Specifically, we found more outlier SNPs in the highly impacted lake using Fst-based tests for selection. Conversely, gene-environment tests revealed the reverse pattern. We discuss numerous facets of experimental design that must be considered when using resurrection ecology to study local adaptation and critically evaluate how they may have impacted the results of this investigation.

Southern Africa is consistently placed as one of the potential regions for the evolution of Homo sapiens. To examine the region's human prehistory prior to the arrival of migrants from East and West Africa or Eurasia in the last 1,700 years, we generated and analyzed genome sequence data from seven ancient individuals from KwaZulu-Natal, South Africa. Three Stone Age hunter-gatherers date to ~2,000 years ago, and we show that they were related to current-day southern San groups such as the Karretjie People. Four Iron Age farmers (300-500 years old) have genetic signatures similar to present day Bantu-speakers. The genome sequence (13x coverage) of a juvenile boy from Ballito Bay, who lived ~2,000 years ago, demonstrates that southern African Stone Age hunter-gatherers were not impacted by recent admixture; however, we estimate that all modern-day Khoekhoe and San groups have been influenced by 9-22% genetic admixture from East African/Eurasian pastoralist groups arriving >1,000 years ago, including the Ju|'hoansi San, previously thought to have very low levels of admixture. Using traditional and new approaches, we estimate the population divergence time between the Ballito Bay boy and other groups to beyond 260,000 years ago. These estimates dramatically increases the deepest divergence amongst modern humans, coincide with the onset of the Middle Stone Age in sub-Saharan Africa, and coincide with anatomical developments of archaic humans into modern humans as represented in the local fossil record. Cumulatively, cross-disciplinary records increasingly point to southern Africa as a potential (not necessarily exclusive) 'hot spot' for the evolution of our species.