Paleogenomics of Bovina evolution and its impact on cattle domestication

Les genres Bos et Bison constituent la sous-tribu des Bovina et incluent plusieurs lignées de bovins. Les espèces domestiques et sauvages appartenant à ces deux genres auraient divergé au Pléistocène inférieur. L’histoire génomique évolutive récente de Bos et Bison ne reflète qu’imparfaitement les liens phylogénétiques anciens car ceux-ci sont éclipsés par les événements récents, en particulier la quasi-extermination aux 19ème et 20ème siècles des bisons américains (Bison bison) et bisons européens (Bison bonasus), respectivement, ainsi que la disparition au 17ème siècle de l’aurochs, ancêtre des bovins domestiques actuels. Dans le but de clarifier l’histoire évolutive de ces deux genres, nous avons mis en place une approche paléogénomique permettant de séquencer l’ADN ancien extrait à partir de spécimens fossiles des genres Bos et Bison. L’objectif était de reconstruire les mitogénomes et les génomes nucléaires de restes fossiles datant du Pléistocène à l’Holocène, témoins des événements évolutifs précédant les événements les plus récents qui ont remodelé la diversité génétique des populations modernes. Nous avons ainsi analysé des restes fossiles du Néolithique jusqu’à l’ère moderne, témoins de l’impact de la domestication sur la structuration génétique des bovins. Nous avons adapté les méthodes d’analyse de l’ADN aux caractéristiques particulières de l’ADN ancien pour maximiser la récupération de l’ADN ancien à partir des restes fossiles et convertir efficacement les fragments d’ADN contenus dans l’extrait fossile en banques génomiques pour le séquençage de nouvelle génération (NGS). Nous avons aussi optimisé un protocole de capture du génome mitochondrial de bovins anciens pour augmenter son efficacité avec des échantillons mal conservés. L’optimisation méthodologique nous a permis d’obtenir la séquence de 20 mitogénomes complets de bisons européens et bisons des steppes datant du Pléistocène moyen jusqu’aux aux temps modernes et 98 mitogénomes complets d’aurochs et de bovins domestiques eurasiatiques et africains datant du Pléistocène supérieur jusqu’au Moyen Âge. Nous avons reconstruit l’histoire évolutive de Bos et Bison à travers une analyse phylogénétique qui rassemble 279 mitogénomes anciens et 671 mitogénomes modernes des Bovina. Ceci nous a permis d’établir une datation robuste des radiations phylogénétiques et de reconstruire les dynamiques des populations bovines pendant les 50 000 dernières années.Nous avons identifié un nouvel haplogroupe mitochondrial d’aurochs rassemblant des échantillons du Pléistocène supérieur originaire de l’Europe de l’Ouest. Cet haplogroupe s’est séparé le premier des lignées d’aurochs européens et proche-orientaux, des bovins domestiques eurasiatiques et africains ainsi que des zébus. Ceci met en évidence une dynamique complexe des populations bovines ancestrales au Pléistocène moyen et supérieur ainsi que les liens partagés entre les populations eurasiatiques et du sous-continent indien. L’analyse d’échantillons précédant et suivant le dernier maximum glaciaire, entre 30 000 et 12 000 ans, et les modélisations démographiques utilisant les mitogénomes anciens et actuels des différentes lignées ont permis d’évaluer l’impact de cette glaciation sur la dynamique des tailles effectives des populations d’aurochs. Notre étude permet de réévaluer les causes du goulot d’étranglement précédemment attribué à la domestication des aurochs. Nous avons aussi caractérisé en parallèle les génomes d’une vingtaine de bisons qui permettront de comparer l’évolution de ces deux lignées cousines, l’une ayant été domestiquée et l’autre non. L’ensemble du travail réalisé permet d’établir une base solide pour étudier les changements génomiques associés à la domestication des bovins.The Bos and Bison genera constitute the Bovina subtribe and include several bovine lineages. Domestic and wild species belonging to these two genera supposedly have diverged in the Lower Pleistocene. The recent genomic evolutionary history of Bos and Bison, however, only partially reflects their ancient phylogenetic links, since recent events, in particular the near-extermination of American bison (Bison bison) and European bison (Bison bonasus) in the 19th and 20th centuries, respectively, and the extinction in the 17th century of the aurochs, ancestor of present-day domestic cattle, have blurred our understanding of their phylogenetic relationships. In order to clarify the evolutionary history of these two genera, we implemented a paleogenomic approach, i.e., sequencing ancient DNA extracted from fossil specimens of Bos and Bison, in order to reconstruct their mitogenomes and nuclear genomes dating from the Pleistocene to the Holocene. These fossil specimens are direct witnesses of ancient evolutionary events, allowing us to directly investigate the genetic diversity of Bos and Bison before the most recent events, which reshaped the genetic diversity of modern populations. Furthermore, to investigate the impact of domestication on the genetic structure of cattle, we analyzed fossil remains from the Neolithic to modern times. We adapted DNA analysis methods to the particular characteristics of ancient DNA to maximize the recovery of ancient DNA from fossil remains and to efficiently convert DNA fragments contained in fossil extracts into genomic libraries for next-generation sequencing (NGS). We also optimized a protocol for capturing ancient cattle mitochondrial genomes to increase its efficiency for poorly preserved samples. This methodological optimization allowed us to obtain 20 complete mitogenomes of European bison and steppe bison dating from the Middle Pleistocene to the modern times, and 98 complete mitogenomes of aurochs and Eurasian and African domestic cattle dating from the Upper Pleistocene until the Middle Age. We reconstructed the evolutionary history of Bos and Bison through phylogenetic analysis integrating 279 ancient mitogenomes and 671 modern mitogenomes from the Bovina subtribe. This compilation has allowed us to establish a robust dating of the phylogenetic radiation and to reconstruct the dynamics of bovine populations during the last 50,000 years.We have identified a new mitochondrial haplogroup of aurochs in a group of Upper Pleistocene samples from Western Europe. This haplogroup diverged early from all European and Near-Eastern aurochs, Eurasian and African domestic cattle, as well as Indian zebus, highlighting a complex dynamic of ancestral Bos populations in the Middle and Late Pleistocene, as well as revealing the links shared between the Eurasian and the Indian subcontinent populations. Through analysis of samples preceding and following the last glacial maximum, 30,000 and 12,000 years ago, and through use of demographic models combining ancient and present-day mitogenomes of different lineages, we were able to assess the impact of this glaciation on the effective population sizes of aurochs. Thus, our study reassesses the causes of the bottleneck previously attributed to the domestication of aurochs. In parallel, we have also characterized the genomes of an additional twenty bison, which will allow us to further compare the evolution of these two cousin lineages, one having been domesticated and the other not. Together, these analyses provide a solid basis for studying and better understanding the genomic changes associated with the domestication of cattle