Smallpox holds a unique position in the history of medicine. It was the first disease for which a vaccine was developed and remains the only human disease eradicated by vaccination. Although there have been claims of smallpox in Egypt, India, and China dating back millennia [1Fenner F. Henderson D. Arita I. Jezek Z. Ladnyi I. Smallpox and Its Eradication. World Health Organization, 1988Google Scholar, 2Hopkins D. The Greatest Killer: Smallpox in History. University of Chicago Press, 2002Crossref Google Scholar, 3McNeill W. Plagues and Peoples. Anchor, 2010Google Scholar, 4Li Y. Carroll D.S. Gardner S.N. Walsh M.C. Vitalis E.A. Damon I.K. On the origin of smallpox: correlating variola phylogenics with historical smallpox records.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007; 104: 15787-15792Crossref PubMed Scopus (128) Google Scholar], the timescale of emergence of the causative agent, variola virus (VARV), and how it evolved in the context of increasingly widespread immunization, have proven controversial [4Li Y. Carroll D.S. Gardner S.N. Walsh M.C. Vitalis E.A. Damon I.K. On the origin of smallpox: correlating variola phylogenics with historical smallpox records.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007; 104: 15787-15792Crossref PubMed Scopus (128) Google Scholar, 5Babkin I.V. Babkina I.N. A retrospective study of the orthopoxvirus molecular evolution.Infect. Genet. Evol. 2012; 12: 1597-1604Crossref PubMed Scopus (26) Google Scholar, 6Babkin I.V. Babkina I.N. The origin of the variola virus.Viruses. 2015; 7: 1100-1112Crossref PubMed Scopus (44) Google Scholar, 7Esposito J.J. Sammons S.A. Frace A.M. Osborne J.D. Olsen-Rasmussen M. Zhang M. Govil D. Damon I.K. Kline R. Laker M. et al.Genome sequence diversity and clues to the evolution of variola (smallpox) virus.Science. 2006; 313: 807-812Crossref PubMed Scopus (142) Google Scholar, 8Hughes A.L. Irausquin S. Friedman R. The evolutionary biology of poxviruses.Infect. Genet. Evol. 2010; 10: 50-59Crossref PubMed Scopus (95) Google Scholar, 9Shchelkunov S.N. How long ago did smallpox virus emerge?.Arch. Virol. 2009; 154: 1865-1871Crossref PubMed Scopus (29) Google Scholar]. In particular, some molecular-clock-based studies have suggested that key events in VARV evolution only occurred during the last two centuries [4Li Y. Carroll D.S. Gardner S.N. Walsh M.C. Vitalis E.A. Damon I.K. On the origin of smallpox: correlating variola phylogenics with historical smallpox records.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007; 104: 15787-15792Crossref PubMed Scopus (128) Google Scholar, 5Babkin I.V. Babkina I.N. A retrospective study of the orthopoxvirus molecular evolution.Infect. Genet. Evol. 2012; 12: 1597-1604Crossref PubMed Scopus (26) Google Scholar, 6Babkin I.V. Babkina I.N. The origin of the variola virus.Viruses. 2015; 7: 1100-1112Crossref PubMed Scopus (44) Google Scholar] and hence in apparent conflict with anecdotal historical reports, although it is difficult to distinguish smallpox from other pustular rashes by description alone. To address these issues, we captured, sequenced, and reconstructed a draft genome of an ancient strain of VARV, sampled from a Lithuanian child mummy dating between 1643 and 1665 and close to the time of several documented European epidemics [1Fenner F. Henderson D. Arita I. Jezek Z. Ladnyi I. Smallpox and Its Eradication. World Health Organization, 1988Google Scholar, 2Hopkins D. The Greatest Killer: Smallpox in History. University of Chicago Press, 2002Crossref Google Scholar, 10Paulet J.J. Histoire de la Petite Vérole: Avec les Moyens d'en Préserver les Enfans et d'en Arrêter la Contagion en France. Volume 1. Ganeau, 1768Google Scholar]. When compared to vaccinia virus, this archival strain contained the same pattern of gene degradation as 20th century VARVs, indicating that such loss of gene function had occurred before ca. 1650. Strikingly, the mummy sequence fell basal to all currently sequenced strains of VARV on phylogenetic trees. Molecular-clock analyses revealed a strong clock-like structure and that the timescale of smallpox evolution is more recent than often supposed, with the diversification of major viral lineages only occurring within the 18th and 19th centuries, concomitant with the development of modern vaccination.

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.

ABSTRACT Although protocols exist for the recovery of ancient DNA from land snail and marine bivalve shells, marine conch shells have yet to be studied from a paleogenomic perspective. We first present reference assemblies for both a 623.7 Mbp nuclear genome and a 15.4 kbp mitochondrial genome for Strombus pugilis , the West Indian fighting conch. We next detail a method to extract and sequence DNA from conch shells and apply it to conch from Bocas del Toro, Panama across three time periods: recently-eaten and discarded (n=3), Late Holocene (984-1258 BP) archaeological midden (n=5), and a mid-Holocene (5711-7187 BP) paleontological fossil coral reef (n=5). These results are compared to control DNA extracted from live-caught tissue and fresh shells (n=5). Using high-throughput sequencing, we were able to obtain S. pugilis nuclear sequence reads from shells across all age periods: up to 92.5 thousand filtered reads per sample in live-caught shell material, 4.57 thousand for modern discarded shells, 12.1 thousand reads for archaeological shells, and 114 reads in paleontological shells. We confirmed authenticity of the ancient DNA recovered from the archaeological and paleontological shells based on 5.7x higher average frequency of deamination-driven misincorporations and 15% shorter average read lengths compared to the modern shells. Reads also mapped to the S. pugilis mitochondrial genome for all but the paleontological shells, with consistent ratios of mitochondrial to nuclear mapped reads across sample types. Our methods can be applied to diverse archaeological sites to facilitate reconstructions of the long-term impacts of human behavior on mollusc evolutionary biology.

Abstract No endemic Madagascar animal with body mass >10 kg survived a relatively recent wave of extinction on the island. From morphological and isotopic analyses of skeletal ‘subfossil’ remains we can reconstruct some of the biology and behavioral ecology of giant lemurs (primates; up to ~160 kg), elephant birds (up to ~860 kg), and other extraordinary Malagasy megafauna that survived well into the past millennium. Yet much about the evolutionary biology of these now extinct species remains unknown, along with persistent phylogenetic uncertainty in some cases. Thankfully, despite the challenges of DNA preservation in tropical and sub-tropical environments, technical advances have enabled the recovery of ancient DNA from some Malagasy subfossil specimens. Here we present a nuclear genome sequence (~2X coverage) for one of the largest extinct lemurs, the koala lemur Megaladapis edwardsi (~85kg). To support the testing of key phylogenetic and evolutionary hypotheses we also generated new high-coverage complete nuclear genomes for two extant lemur species, Eulemur rufifrons and Lepilemur mustelinus , and we aligned these sequences with previously published genomes for three other extant lemur species and 47 non-lemur vertebrates. Our phylogenetic results confirm that Megaladapis is most closely related to the extant Lemuridae (typified in our analysis by E. rufifrons ) to the exclusion of L. mustelinus , which contradicts morphology-based phylogenies. Our evolutionary analyses identified significant convergent evolution between M. edwardsi and extant folivorous primates (colobine monkeys) and ungulate herbivores (horses) in genes encoding protein products that function in the biodegradation of plant toxins and nutrient absorption. These results suggest that koala lemurs were highly adapted to a leaf-based diet, which may also explain their convergent craniodental morphology with the small-bodied folivore Lepilemur .

Understanding the process of genetic adaptation in response to human-mediated ecological change will help elucidate the eco-evolutionary impacts of human activity. Red fire ants (Solenopsis invicta) spread across Southeastern USA since their accidental introduction via Port Mobile, Alabama in the 1930s, serving today as both novel venomous predator and novel toxic prey to native eastern fence lizards (Sceloporus undulatus). To identify potential signatures of genetic adaptation in lizards to invasive fire ants, we generated whole genome sequencing data from 420 native fence lizards sampled across three populations, two of which had not been invaded by fire ants (in Tennessee and Arkansas) and one which had been invaded for ~70 years (Alabama). We detected signatures of positive selection exclusive to the exposed Alabama population for genetic variants overlapping genes related to the membrane attack complex of the complement immune system, growth factor pathways, and morphological development. Prior work identified a relationship between increased lizard survival of fire ant attack and longer hind limbs, which lizards use to remove ants from their bodies. Furthermore, we conducted a genome-wide association study with 381 Alabama lizards to identify 24 hind limb length-associated genetic loci. For two loci, positive-effect alleles occur in high frequency and overlap genomic regions that are highly differentiated from the populations naive to fire ants. Collectively, these findings represent plausible genetic adaptations in response to fire ant invasion, whereby morphological differentiation may increase survival against swarming ants and altered immune responses may allow the exploitation of a novel, toxic food resource.

Coral reefs are declining worldwide due to anthropogenic-driven environmental change. The foundation and health of these ecosystems rely on the harmonious functioning of all members of coral holobionts, i.e., cnidarian host, symbiotic microalgae, and associated microbiome. Coral stress responses often involve shifts in the taxonomic identity of their symbionts and microbiomes. Tracing back changes in coral holobiont composition over prolonged time periods can help us reconstruct health history of reefs and gain a better understanding of coral response to current stressors. Here, we focused on a major Caribbean reef-builder coral, Orbicella faveolata, from the Varadero Reef, Colombia. This reef has undergone extensive freshwater sediment discharge for decades as result of urbanization. We show, for the first time, that paleogenomic and paleoclimatic approaches can be combined to reconstruct historical, coral holobiont dynamics potentially associated with anthropogenic disturbances.