Genetic dating and pattern of admixture in modern human evolution

Genetic variation is shaped by admixture between populations in an evolutionary process. The mixture dynamic between groups of populations results in a mosaic of chromosomal segments inherited from multiple ancestral populations. The distribution of ancestral chromosomal segments and the recombination breakpoints in an admixed genome provide information about the time of admixture. Studying populations with particular ancestries has become a major interest in population genetics because of medical and evolutionary impacts of the patterns of single nucleotide polymorphisms. It provides a better understanding of the impact of population migrations and helps us uncover interactions between several populations. Most of the research on admixed population dating has focused on a single interaction between two populations using various approaches. Some have extended this to mixing of three populations based on assumptions and approaches which differ from one tool to another. However, the inference of distinct ancestral proportions along the genome of an admixed individual and plausible dates of admixture, still remain a challenge in the case of multi-way admixed populations. This dissertation consists of three research initiatives. First, provide a succinct review of current methods for dating the admixture events. We accomplish this by providing a comprehensive review and comparison of current methods pertinent to date admixture event. Second, we assess various admixture dating tools which estimate the time of admixture between two parental populations. We do so by performing various simulations assuming a particular number of generations and use these to evaluate the tools. Third, we apply the top three assessed methods to some admixed populations from the 1000 Genomes project. Despite MALDER shows improvement and produces reasonable date estimates over other current methods, the results from both simulation and real data suggest that dating ancient admixture events accounting for the effect of other admixtures remains a challenge. Our results suggest the need for developing a new approach to date ancient and complex admixture events in multi-way admixed populations

Mapping genes underlying ethnic differences in tuberculosis risk by linkage disequilibrium in the South African coloured population of the Western Cape

Includes bibliographical references.The South Africa Coloured population of the Western Cape is the result of unions between Europeans, Africans (Bantu and Khoisan), and various other populations (Malaysian or Indonesian descent). The world-wide burden of tuberculosis remains an enormous problem, and is particularly severe in this population. In general, admixed populations that have arisen in historical times can make an important contribution to the discovery of disease susceptibility genes if the parental populations exhibit substantial variation in susceptibility. Despite numerous successful genome-wide association studies, detecting variants that have low disease risk still poses a challenge. Furthermore, admixture association studies for multi-way admixed populations pose constant challenges, including the choice of an accurate ancestral panel to infer ancestry and for imputing missing genotypes to identify possible genetic variants causing susceptibility to disease. This thesis addresses some of these challenges. We first developed PROXYANC, an approach to select the best proxy ancestral populations for admixed populations. From the simulation of a multi-way admixed population, we demonstrated the ability and accuracy of PROXYANC in selecting the best proxy ancestry and illustrated the importance of the choice of ancestries in both estimating admixture proportions and imputing missing genotypes. We applied this approach to the South African Coloured population, to refine both the choice of ancestral populations and their genetic contributions. We also demonstrated that the ancestral allele frequency differences correlated with increased linkage disequilibrium in the SAC, and that the increased LD originates from admixture events rather than population bottlenecks. Secondly, we conducted a study to determine whether ancestry-specific genetic contributions affect tuberculosis risk. We additionally conducted imputation genome-wide association studies and a meta-analysis incorporating previous genome-wide association studies of tuberculosis

A genomic approach to the evolution, diversification and domestication of the genus Citrus

[EN] Citrus is a diverse genus within the Aurantioideae subfamily that comprises an undetermined number of pure species natively found in a vast territory extending from India to Japan and Australia. Besides pure species, countless citrus admixtures of commercial interest such as mandarins, oranges and lemons have been traditionally included in this genus, even though they are the product of several interspecific crosses between pure species. Recently, a genome-wide analysis provided the backbone of the Citrus phylogeny, showing that the wild species diverged from an ancestral citrus in a rapid radiation during the Late Miocene. Understanding the processes that shaped the evolution and domestication of the genus will provide novel insights in the field of plant genome evolution. In this doctoral thesis, multiple genomic approaches have been used to expand the existing knowledge on major determinants driving the processes of evolution, diversification and domestication in Citrus. First, a genome-wide Aurantioideae phylogeny was generated, revealing the existence of several independent dispersal events in this subfamily in the last 10 million years, from Asia to Africa and Australia, and rooting the Citrus genus within this subfamily. The Citrus phylogeny was then studied under the multispecies coalescent model, which can capture the variability generated during fast radiations. The dating of the speciation events allowed to advance original proposals on the paleogeographic events triggering the migration of the Citrus species through the South East Asian region. The Citrus radiation generated the great genetic and phenotypic diversity found in this genus. To investigate the effects of the Late Miocene climate change on the genomic structure of the Citrus pure species, the activity and evolution of retrotransposons, which can significantly alter the genome of their hosts, was analyzed. Most of the Citrus retrotransposon families are shared with Severinia buxifolia, an Aurantioideae species that diverged from Citrus more than 10 million years ago, implying that few retrotransposon families are specific to the genus Citrus. However, estimations of the retrotransposon insertion rates within Citrus revealed that, shortly after the radiation, the transposon activity rapidly changed among the different species. Hence, the data indicates that retrotransposon dynamics are linked to the stress caused by the Late Miocene climate change and the Citrus speciation, although specific responses likely depend on the particular evolutionary history of each species. The differences of gene expression in fruits of domesticated and wild cultivars were then studied to understand the role of interspecific hybridizations during Citrus domestication. The results presented suggest that these events, together with asexual propagation, were key for the domestication process. Different mechanisms explaining commercially relevant Citrus traits are also proposed. For example, pulp acidity in citrons and lemons is linked to an increased proton influx to the pulp vacuoles. The data also indicate that the peel pigmentation might be controlled by the additive effect of several minor genes, and not by a single gene or mechanism. Finally, an allele-dependent expression pattern of a chalcone synthase, involved in the flavonoid biosynthesis, advocates for the existence of a stepwise evolution in the mandarin flavonoid accumulation. All in all, the transcriptomic approach used in this work allowed to generate broader hypotheses that stand from a genus-wide perspective. Overall, the results provide a comprehensive framework of Citrus phylogenetic relationships, the effect of the mobile elements during its diversification and the role of interspecific hybridizations in the citrus domestication. The insights here exposed reveal the inherent complexity of the evolutionary history of this fascinating genus.[ES] El género Citrus (Aurantioideae) abarca un número desconocido de especies puras, nativas en buena parte del sudeste asiático y Oceanía. Muchas variedades comerciales, como mandarinas o naranjas, también forman parte de este género. Recientemente, la estructura de la filogenia del género Citrus ha sido publicada en un estudio el que se propone que los cítricos actuales surgieron en un proceso de radiación rápida durante el Mioceno tardío, hace 8 millones de años. Una mejor comprensión de los procesos involucrados en la evolución y posterior domesticación del género Citrus proporcionaría nuevas perspectivas en el ámbito de la genómica de plantas. En esta Tesis Doctoral se han empleado diversas estrategias genómicas para ampliar el conocimiento existente sobre los procesos implicados en la evolución, diversificación y domesticación de los cítricos. En primer lugar, se generó un árbol filogenético de las Aurantioideae, anclando el género Citrus dentro esta subfamilia. Esta filogenia reveló varios eventos de dispersión entre estas especies, generalmente desde Asia hacia África u Oceanía. Después, se estudió la filogenia del género Citrus empleando el modelo coalescente de multiespecie, que refleja la variabilidad inherente a los procesos de radiación. La datación de los distintos eventos de especiación ha permitido hacer nuevas propuestas sobre la paleogeografía y su papel en la distribución actual de los cítricos a lo largo del sudeste asiático. Para investigar los efectos del cambio climático del Mioceno tardío en el genoma de los cítricos, se analizó la actividad y la evolución de los retrotransposones como fuente de variabilidad genética en distintas especies de cítricos. Muchos de los retrotransposones de los cítricos también se encuentran en Severinia¿ un género de las aurantioideas que divergió del ancestro de los cítricos hace 10 millones de años, sugiriendo que pocos de los retrotransposones de cítricos son exclusivos de este género. En cambio, las tasas de inserción de retrotransposones en cítricos revelaron que la actividad de estos elementos cambió drásticamente entre especies poco después de la radiación de los cítricos. Por tanto, es posible que dicha actividad esté ligada al estrés climático durante el Mioceno tardío, así como a la especiación de los cítricos, aunque también parece verse afectada por las condiciones evolutivas particulares de las especies estudiadas. Por último, se estudiaron las diferencias en la expresión génica entre variedades domesticadas y especies salvajes para conocer el papel de las hibridaciones interespecíficas en la domesticación de los cítricos. Los resultados obtenidos sugieren que dichas hibridaciones, junto a la propagación clonal, fueron clave para el proceso de domesticación. Estos resultados también permiten proponer un mecanismo que explica la acidez de la pulpa de cidros y limones basado en el flujo de protones al lumen vacuolar. Los datos también parecen indicar que el color de los cítricos no depende de un único gen, sino que depende del efecto aditivo de varios genes en conjunto. Finalmente, se descubrió una copia del gen de la chalcona sintasa, necesario para la síntesis de flavonoides, que tan solo se expresa en mandarinas y variedades derivadas, lo que sugiere que la acumulación de flavonoides en estas variedades proviene de un proceso evolutivo escalonado. La obtención de estos resultados fue posible gracias a la estrategia de análisis transcriptómico escogida, que abarca varias especies del género Citrus. En conclusión, los resultados presentados en este trabajo aportan un marco de trabajo global en la filogenia del género Citrus, además de realizar nuevas propuestas sobre el efecto de los elementos móviles en la diversificación de los cítricos y el papel de las hibridaciones interespecíficas durante su domesticación. Los datos presentados en este trabajo revelan la compl[CAT] El gènere Citrus (Aurantioideae) comprèn un nombre desconegut d'espècies pures, natives en un ampli territori que s'estén pel sud-est asiàtic i Oceania. Un gran nombre de varietats comercials de cítrics, com mandarines, taronges o llimes, també s'inclouen dins del gènere Citrus. L'estructura bàsica de la filogènia del gènere Citrus ha sigut publicada recentment, a un estudi al que es proposa que els cítrics actuals sorgiren en un procés de radiació ràpida que va tindre lloc en el Miocè superior, fa 8 milions d'anys. Una millor comprensió dels processos involucrats en l'evolució i posterior domesticació del gènere Citrus podria proporcionar noves perspectives dins de l'àmbit de l'evolució del genoma de plantes. Al llarg d'aquesta Tesi Doctoral s'han emprat diverses estratègies genòmiques per a ampliar el coneixement existent sobre els processos que van dirigir l'evolució, diversificació i domesticació dels cítrics. En primer lloc, es va generar una filogènia de les aurantioideas, ancorant el gènere Citrus dins d'aquesta subfamília. Esta filogènia va revelar l'existència de diversos esdeveniments de dispersió en estes espècies, generalment des d'Àsia cap a Àfrica o Oceania. Després, la filogènia dels cítrics es va estudiar emprant el model evolutiu coalescent multiespècie, que reflecteix la variabilitat inherent als processos de radiació ràpida. La datació de la especiació dels cítrics han permès fer noves propostes sobre la paleografia i el seu paper en la distribució actual dels cítrics per tot el sud-est asiàtic. Per a investigar els efectes del canvi climàtic ocorregut durant el Miocè superior en l'estructura genòmica dels cítrics, s'analitzà l'activitat i evolució dels retrotransposons com a font de variabilitat genètica en distintes espècies de cítrics. La majoria dels retrotransposons dels cítrics també es troben en Severinia¿ un gènere de les aurantioidees que va divergir de l'avantpassat dels cítrics fa 10 milions d'anys, la qual cosa suggereix que tan sols unes poques famílies de retrotransposons son exclusives dels cítrics. En canvi, l'estimació de les taxes d'inserció dels retrotransposons revela que l'activitat d'aquests elements va patir canvis dràstics entre espècies poc després de la radiació dels cítrics. Per tant, l'esmenada activitat podria estar lligada a l'estrès climàtic de finals del Miocé, així com a l'especiació dels cítrics, encara que també sembla veure's afectada per les condicions evolutives particulars de cada espècie. Finalment, es van estudiar les diferències a l'expressió gènica entre varietats domesticades i espècies salvatges per a conèixer el paper de les hibridacions interespecífiques en el procés de domesticació dels cítrics. Els resultats suggereixen que aquestes hibridacions, junt a la propagació clonal de les varietats de interès, foren clau en la domesticació. Els resultats també han permès proposar un mecanisme que explica l'acidesa de la polpa de poncems i llimes basat en el flux de protons al lumen vacuolar. D'altra banda, el color dels cítrics no pareix dependre d'un únic gen, sinó de l'efecte additiu de diversos gens en conjunt. Finalment, s'ha trobat una còpia del gen de la chalcona sintasa, necessària per a la síntesi de flavonoides, que tan sols s'expressa en mandarines i varietats derivades, suggerint que l'acumulació de flavonoides en aquestes varietats és el resultat d'un procés evolutiu escalonat. L'obtenció d'aquests resultats fou possible gràcies a l'estratègia d'anàlisi escollida, que inclou diverses espècies del gènere Citrus. En conclusió, els resultats presentats en aquest treball aporten un marc de treball global a la filogènia dels cítrics, a banda de permetre realitzar noves propostes sobre el efecte dels elements mòbils en la diversificació dels cítrics i el paper de les hibridacions interespecífiques durant la seua domesticació. Les dades presentaBorredá Fernández, C. (2021). A genomic approach to the evolution, diversification and domestication of the genus Citrus [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/176003TESI

Africa, the Cradle of Human Diversity

This book brings together experts from several disciplines, reviewing and discussing our current knowledge of the complex history, biological diversity and behavioral evolution of African populations. The collection provides a valuable resource for students and researchers from various fields.; Readership: This book offers accessible knowledge from a multidisciplinary perspective to students, scholars and researchers interested in human evolutionary history, population genetics, archaeology, paleogenomics, anthropology, and related disciplines

Africa, the Cradle of Human Diversity

This book brings together experts from several disciplines, reviewing and discussing our current knowledge of the complex history, biological diversity and behavioral evolution of African populations. The collection provides a valuable resource for students and researchers from various fields.; Readership: This book offers accessible knowledge from a multidisciplinary perspective to students, scholars and researchers interested in human evolutionary history, population genetics, archaeology, paleogenomics, anthropology, and related disciplines

Comparative Population Genomics of Neotropical Forest Birds

The causes and implications of differences in geographic variation across species are generally poorly understood, but comparative studies have the potential to provide better understanding of what factors predispose species to undergo population divergence and whether population divergence has lasting evolutionary impacts. Here, I examined geographic variation in birds using molecular data from across the genome. I characterized genetic diversity, estimated population history, and tested for impacts of landscape history as well as ecological traits on genetic parameters. I found evidence that diverse historical processes have led to present-day genetic variation in Neotropical bird species, including divergence, population expansion, migration, and gene flow. Genetic diversity and historical processes differed across species, and some of these differences were associated with habitat. Birds of upland forest had greater genetic diversity, higher divergence between populations, and deeper population histories than birds of floodplain forest in the Amazon. This may result from higher dispersal in floodplain species, recent population expansion in or colonization of floodplain habitats, or persistent demographic differences between habitats. I also found that rates of population divergence within species predicted rates of speciation in their ancestral lineages. This result suggests that traits that predict population divergence within species, such as their habitat associations, will impact their diversification over long evolutionary timescales

New insights in the paternal genetic landscape of Southwestern Europe: dissection of haplogroup R1b-M269 and forensic applications

325 p.El cromosoma Y determina el sexo masculino y posee una naturaleza haploide que escapa a la recombinación, lo que hace que sólo esté presente en individuos varones y que se trasmita prácticamente sin cambios de padres a hijos, estableciendo linajes paternos. El estudio de los linajes paternos, mediante polimorfismos de un solo nucleótido (single nucleotide polimorphism, SNP) en el cromosoma Y (Y-SNP), permite la reconstrucción de la historia evolutiva de los linajes paternos de la especie humana. Los marcadores genéticos del cromosoma Y pueden ser de dos tipos, los anteriormente mencionados Y-SNPs, y los microsatélites Y-STRs (short tandem repeat, STR). Su estudio permite conocer cuáles son los linajes paternos característicos o presentes en cada población humana, permitiendo así diferenciar entre unas poblaciones y otras. Por ello, en los últimos años su estudio es relevante dentro del área de la Genética Forense y otras áreas afines como la genética de poblaciones, genealogía genética o la genética evolutiva.El estudio de los Y-SNPs ha revelado que las agrupaciones de linajes paternos, también llamadas haplogrupos, se distribuyen en áreas geográficas concretas a lo largo del mundo, tanto continental comoregionalmente. En el caso del oeste de Europa el haplogrupo más común es R1b-M269. La actual composición genética de Europa ha sido objeto de múltiples controversias centradas alrededor del origen de M269, ya que las estimaciones de edad obtenidas a partir de los distintos estudios genéticos realizados por distintos autores situaron el origen de este linaje paterno tanto durante el periodo Paleolítico, como en tiempos más recientes, en el Neolítico.El objetivo principal de este estudio se centra en la reconstrucción del escenario evolutivo más probable del principal linaje paterno europeo M269 en la Península Ibérica y el suroeste de Europa a través de la disección en sus subhaplogrupos, lo que permitirá caracterizar de manera detallada la distribución de los linajes paternos presentes en la Península Ibérica e inferir el papel de esta región en la historia evolutiva de Europa.Los resultados obtenidos han permitido caracterizar el paisaje genético paterno del suroeste de Europa, revelando, por un lado, que el origen más probable de M269 sea el Este de Europa y, por otro lado, que uno de los sublinajes principales de M269, R1b-S116, presenta un patrón de distribución distinto al propuesto anteriormente por otros autores. Además, el paragrupo de S116, S116*, fue prácticamente resuelto por la presencia del sublinaje R1b-DF27, que ha resultado ser casi específico de la Península Ibérica, haciendo de él un marcador de potencial interés forense para la determinación de la ancestralidad biogeográfica paterna. Las estimaciones de edad de DF27 indican que se originó hace 4.000-4.200 años, durante la transición entre el Neolítico y la Edad de Bronce, siendo su lugar más probable de origen la región noreste de la Península Ibérica. Por otro lado, fruto de este estudio también se han desarrollado dos paneles multiplex de Y-SNPs e Y-STRs para su uso en Genética Forense y de poblaciones.En conclusión, el presente trabajo de tesis doctoral ha proporcionado, por un lado, nuevas pistas sobre la historia evolutiva de acervo genético europeo actual y, por otro lado, dos nuevas herramientas de uso forense para el análisis multiplex de Y-SNPs e Y-STRs

Unravelling the evolutionary history and adaptation of European mouflon and some domestic sheep populations with special emphasis on the ovines of Sardinia

After being transported into Europe during the Neolithic, mouflon (Ovis aries musimon) became extinct from mainland Europe, but remnant populations persisted and became feral on the Mediterranean islands of Corsica and Sardinia. These populations have been used for reintroductions across continental Europe during the last 200 years. This thesis aimed to investigate the global and local ancestry of European mouflon and domestic sheep, to investigate signals of artificial and natural selection in their genomes, and to develop analytical frameworks and informatic tools to aid similar analyses using SNP array data. I describe the development of software that allows rapid investigation of genome-wide SNP data to infer effective population size trajectories using patterns of linkage disequilibrium. I inferred the absence of widespread sheep introgression in extant European mouflon populations although signals of recent introgression were recorded in one enclosed Sardinian mouflon population. By applying a novel approach to aid the investigation of local genomic ancestry data, signals of mouflon ancestry in sheep could be inferred and were found to be related to biological functions involved with innate immunity processes with bitter taste recognition being identified in two breeds known for their broad dietary choices. By investigating signals of positive selection and local adaptation in feral and domestic sheep using novel locus-specific empirical p-value inference, traits with selection signatures such as fertility, pigmentation and behaviour were identified in sheep, while traits involved with stature - probably related to mating success - were found in mouflon. Signals of local adaptation to environmental variables were not detected, which is likely to be due to the inadequate sample available, determined by post-hoc analysis