As high-throughput sequencing platforms produce longer and longer reads, sequences generated from short inserts, such as those obtained from fossil and degraded material, are increasingly expected to contain adapter sequences. Efficient adapter trimming algorithms are also needed to process the growing amount of data generated per sequencing run. We introduce AdapterRemoval v2, a major revision of AdapterRemoval v1, which introduces (i) striking improvements in throughput, through the use of single instruction, multiple data (SIMD; SSE1 and SSE2) instructions and multi-threading support, (ii) the ability to handle datasets containing reads or read-pairs with different adapters or adapter pairs, (iii) simultaneous demultiplexing and adapter trimming, (iv) the ability to reconstruct adapter sequences from paired-end reads for poorly documented data sets, and (v) native gzip and bzip2 support. We show that AdapterRemoval v2 compares favorably with existing tools, while offering superior throughput to most alternatives examined here, both for single and multi-threaded operations.

Abstract Motivation: Ancient DNA (aDNA) molecules in fossilized bones and teeth, coprolites, sediments, mummified specimens and museum collections represent fantastic sources of information for evolutionary biologists, revealing the agents of past epidemics and the dynamics of past populations. However, the analysis of aDNA generally faces two major issues. Firstly, sequences consist of a mixture of endogenous and various exogenous backgrounds, mostly microbial. Secondly, high nucleotide misincorporation rates can be observed as a result of severe post-mortem DNA damage. Such misincorporation patterns are instrumental to authenticate ancient sequences versus modern contaminants. We recently developed the user-friendly mapDamage package that identifies such patterns from next-generation sequencing (NGS) sequence datasets. The absence of formal statistical modeling of the DNA damage process, however, precluded rigorous quantitative comparisons across samples. Results: Here, we describe mapDamage 2.0 that extends the original features of mapDamage by incorporating a statistical model of DNA damage. Assuming that damage events depend only on sequencing position and post-mortem deamination, our Bayesian statistical framework provides estimates of four key features of aDNA molecules: the average length of overhangs (λ), nick frequency (ν) and cytosine deamination rates in both double-stranded regions () and overhangs (). Our model enables rescaling base quality scores according to their probability of being damaged. mapDamage 2.0 handles NGS datasets with ease and is compatible with a wide range of DNA library protocols. Availability: mapDamage 2.0 is available at ginolhac.github.io/mapDamage/ as a Python package and documentation is maintained at the Centre for GeoGenetics Web site (geogenetics.ku.dk/publications/mapdamage2.0/). Contact: jonsson.hakon@gmail.com Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Birds are the most species-rich class of tetrapod vertebrates and have wide relevance across many research fields. We explored bird macroevolution using full genomes from 48 avian species representing all major extant clades. The avian genome is principally characterized by its constrained size, which predominantly arose because of lineage-specific erosion of repetitive elements, large segmental deletions, and gene loss. Avian genomes furthermore show a remarkably high degree of evolutionary stasis at the levels of nucleotide sequence, gene synteny, and chromosomal structure. Despite this pattern of conservation, we detected many non-neutral evolutionary changes in protein-coding genes and noncoding regions. These analyses reveal that pan-avian genomic diversity covaries with adaptations to different lifestyles and convergent evolution of traits.

The bacteria Yersinia pestis is the etiological agent of plague and has caused human pandemics with millions of deaths in historic times. How and when it originated remains contentious. Here, we report the oldest direct evidence of Yersinia pestis identified by ancient DNA in human teeth from Asia and Europe dating from 2,800 to 5,000 years ago. By sequencing the genomes, we find that these ancient plague strains are basal to all known Yersinia pestis. We find the origins of the Yersinia pestis lineage to be at least two times older than previous estimates. We also identify a temporal sequence of genetic changes that lead to increased virulence and the emergence of the bubonic plague. Our results show that plague infection was endemic in the human populations of Eurasia at least 3,000 years before any historical recordings of pandemics.

Revisiting the origins of modern horses The domestication of horses was very important in the history of humankind. However, the ancestry of modern horses and the location and timing of their emergence remain unclear. Gaunitz et al. generated 42 ancient-horse genomes. Their source samples included the Botai archaeological site in Central Asia, considered to include the earliest domesticated horses. Unexpectedly, Botai horses were the ancestors not of modern domestic horses, but rather of modern Przewalski's horses. Thus, in contrast to current thinking on horse domestication, modern horses may have been domesticated in other, more Western, centers of origin. Science , this issue p. 111

Significance The domestication of the horse revolutionized warfare, trade, and the exchange of people and ideas. This at least 5,500-y-long process, which ultimately transformed wild horses into the hundreds of breeds living today, is difficult to reconstruct from archeological data and modern genetics alone. We therefore sequenced two complete horse genomes, predating domestication by thousands of years, to characterize the genetic footprint of domestication. These ancient genomes reveal predomestic population structure and a significant fraction of genetic variation shared with the domestic breeds but absent from Przewalski’s horses. We find positive selection on genes involved in various aspects of locomotion, physiology, and cognition. Finally, we show that modern horse genomes contain an excess of deleterious mutations, likely representing the genetic cost of domestication.

Next-Generation Sequencing has revolutionized our approach to ancient DNA (aDNA) research, by providing complete genomic sequences of ancient individuals and extinct species. However, the recovery of genetic material from long-dead organisms is still complicated by a number of issues, including post-mortem DNA damage and high levels of environmental contamination. Together with error profiles specific to the type of sequencing platforms used, these specificities could limit our ability to map sequencing reads against modern reference genomes and therefore limit our ability to identify endogenous ancient reads, reducing the efficiency of shotgun sequencing aDNA.In this study, we compare different computational methods for improving the accuracy and sensitivity of aDNA sequence identification, based on shotgun sequencing reads recovered from Pleistocene horse extracts using Illumina GAIIx and Helicos Heliscope platforms. We show that the performance of the Burrows Wheeler Aligner (BWA), that has been developed for mapping of undamaged sequencing reads using platforms with low rates of indel-types of sequencing errors, can be employed at acceptable run-times by modifying default parameters in a platform-specific manner. We also examine if trimming likely damaged positions at read ends can increase the recovery of genuine aDNA fragments and if accurate identification of human contamination can be achieved using a strategy previously suggested based on best hit filtering. We show that combining our different mapping and filtering approaches can increase the number of high-quality endogenous hits recovered by up to 33%.We have shown that Illumina and Helicos sequences recovered from aDNA extracts could not be aligned to modern reference genomes with the same efficiency unless mapping parameters are optimized for the specific types of errors generated by these platforms and by post-mortem DNA damage. Our findings have important implications for future aDNA research, as we define mapping guidelines that improve our ability to identify genuine aDNA sequences, which in turn could improve the genotyping accuracy of ancient specimens. Our framework provides a significant improvement to the standard procedures used for characterizing ancient genomes, which is challenged by contamination and often low amounts of DNA material.

Abstract African antelope diversity is a globally unique vestige of a much richer world-wide Pleistocene megafauna. Despite this, the evolutionary processes leading to the prolific radiation of African antelopes are not well understood. Here, we sequenced 145 whole genomes from both subspecies of the waterbuck, an African antelope believed to be in the process of speciation. We investigated genetic structure and population divergence and found evidence of a mid-Pleistocene separation on either side of the eastern Great Rift Valley, consistent with vicariance caused by a rain shadow along the so-called ‘Kingdon’s Line’. However, we also found pervasive evidence of not only isolated and recent, but also widespread historical gene flow across the Rift Valley barrier. By inferring the genome-wide landscape of variation among subspecies, we found 14 genomic regions of elevated differentiation, including a locus that may be related to each subspecies’ distinctive coat pigmentation pattern. We investigated these regions as candidate speciation islands. However, we observed no significant reduction in gene flow in these regions, nor any indications of selection against hybrids. Altogether, these results suggest a pattern whereby climatically driven vicariance is the most important process driving the African antelope radiation, and suggest that reproductive isolation may not set in until very late in the divergence process.