Native American population history is reexamined using a large data set of pre-Columbian mitochondrial genomes.

Highlights•Genome-wide analysis of 49 Central and South Americans up to ∼11,000 years old•Two previously unknown genetic exchanges between North and South America•Distinct link between a Clovis culture-associated genome and the oldest South Americans•Continent-wide replacement of Clovis-associated ancestry beginning at least 9,000 years agoSummaryWe report genome-wide ancient DNA from 49 individuals forming four parallel time transects in Belize, Brazil, the Central Andes, and the Southern Cone, each dating to at least ∼9,000 years ago. The common ancestral population radiated rapidly from just one of the two early branches that contributed to Native Americans today. We document two previously unappreciated streams of gene flow between North and South America. One affected the Central Andes by ∼4,200 years ago, while the other explains an affinity between the oldest North American genome associated with the Clovis culture and the oldest Central and South Americans from Chile, Brazil, and Belize. However, this was not the primary source for later South Americans, as the other ancient individuals derive from lineages without specific affinity to the Clovis-associated genome, suggesting a population replacement that began at least 9,000 years ago and was followed by substantial population continuity in multiple regions.Graphical abstract

Abstract In-solution hybridisation enrichment of genetic variation is a valuable methodology in human paleogenomics. It allows enrichment of endogenous DNA by targeting genetic markers that are comparable between sequencing libraries. Many studies have used the 1240k reagent—which enriches 1,237,207 genome-wide SNPs—since 2015, though access was restricted. In 2021, Twist Biosciences and Daicel Arbor Biosciences independently released commercial kits that enabled all researchers to perform enrichments for the same 1240k SNPs. We used the Daicel Arbor Biosciences Prime Plus kit to enrich 132 ancient samples from three continents. We identified a systematic assay bias that increases genetic similarity between enriched samples and that cannot be explained by batch effects. We present the impact of the bias on population genetics inferences (e.g., Principal Components Analysis, ƒ-statistics) and genetic relatedness (READ). We compare the Prime Plus bias to that previously reported of the legacy 1240k enrichment assay. In ƒ-statistics, we find that all Prime-Plus-generated data exhibit artefactual excess shared drift, such that within-continent relationships cannot be correctly determined. The bias is more subtle in READ, though interpretation of the results can still be misleading in specific contexts. We expect the bias may affect analyses we have not yet tested. Our observations support previously reported concerns for the integration of different data types in paleogenomics. We also caution that technological solutions to generate 1240k data necessitate a thorough validation process before their adoption in the paleogenomic community.

On the basis of distinct lines of evidence, detailed reconstructions of the Holocene population history of the Sabana de Bogota (SB) region, Northern South America, have been performed. Currently, there exist two competing models that support temporal continuity or, alternatively, divergence. Despite recent research that lends support to the population discontinuity model, several discrepancies remain, calling for other kinds of evidences to be explored for a more detailed picture of Holocene biocultural evolution. In this study, we analyze the mitochondrial genetic diversity of 30 individuals (including 15 newly reported complete mitochondrial genomes) recovered from several archaeological sites spanning from the late Pleistocene (12,164 cal BP) until the final late Holocene (2,751 cal BP) along with published data from the region dating ~9,000-550 cal BP in order to investigate diachronic genetic change. Genetic diversity and distance indices were calculated, and demographic models tested in an approximate Bayesian computation (ABC) framework to evaluate whether patterns of genetic affinities of the SB prehispanic populations support genetic continuity or discontinuity. The results show that mitochondrial genomes of the complete dataset fall within the Native American haplogroups A2, B2, C1b, D1 and D4h3a. Haplotype and nucleotide diversity declined over time with further evidence of genetic drift and remarkable reduction of genetic diversity during the final late Holocene. Inter-population distances and the exact test of population differentiation, as well as demographic simulations show no population differentiation and population continuity over time. Consequently, based on the analyzed data, we cannot reject the genetic continuity in the SB region as a plausible population history scenario. However, the restriction of the analyses to the Hyper Variable Region 1 of the mitochondrial genome, and the very low sample size both constitute significant limitations to infer evolutionary history.

Studies of Native South American genetic diversity have helped to shed light on the peopling and differentiation of the continent, but available data are sparse for the major ecogeographic domains. These include the Pacific Coast, a potential early migration route; the Andes, home to the most expansive complex societies and to one of the most spoken indigenous language families of the continent (Quechua); and Amazonia, with its understudied population structure and rich cultural diversity. Here we explore the genetic structure of 177 individuals from these three domains, genotyped with the Affymetrix Human Origins array. We infer multiple sources of ancestry within the Native American ancestry component; one with clear predominance on the Coast and in the Andes, and at least two distinct substrates in neighboring Amazonia, with a previously undetected ancestry characteristic of northern Ecuador and Colombia. Amazonian populations are also involved in recent gene-flow with each other and across ecogeographic domains, which does not accord with the traditional view of small, isolated groups. Long distance genetic connections between speakers of the same language family suggest that languages had spread not by cultural contact alone. Finally, Native American populations admixed with post-Columbian European and African sources at different times, with few cases of prolonged isolation. With our results we emphasize the importance of including under-studied regions of the continent in high-resolution genetic studies, and we illustrate the potential of SNP chip arrays for informative regional scale analysis.

Abstract In-solution hybridisation enrichment of genetic markers is a method of choice in paleogenomic studies, where the DNA of interest is generally heavily fragmented and contaminated with environmental DNA, and where the retrieval of genetic data comparable between individuals is challenging. Here, we benchmarked the commercial “Twist Ancient DNA” reagent from Twist Biosciences using sequencing libraries from ancestrally diverse ancient human samples with low to high endogenous DNA content (0.1–44%). For each library, we tested one and two rounds of enrichment, and assessed performance compared to deep shotgun sequencing. We find that the “Twist Ancient DNA” assay provides robust enrichment of ∼1.2M target SNPs without introducing allelic bias that may interfere with downstream population genetics analyses. Additionally, we show that pooling up to 4 sequencing libraries and performing two rounds of enrichment is both reliable and cost-effective for libraries with less than 27% endogenous DNA content. Above 38% endogenous content, a maximum of one round of enrichment is recommended for cost-effectiveness and to preserve library complexity. In conclusion, we provide researchers in the field of human paleogenomics with a comprehensive understanding of the strengths and limitations of different sequencing and enrichment strategies, and our results offer practical guidance for optimising experimental protocols.