Genetic variation in Loudetia simplex supports the presence of ancient grasslands in Madagascar

Abstract

O_LIResearch Aims -- The extent of Madagascars grasslands prior to human colonization is unresolved. We used population genetic analyses of a broadly dominant C4 fire-adapted grass, Loudetia simplex, as a proxy for estimating grassland change through time. We carefully examined the utility of target-enrichment data for population genetics to make recommendations for conservation genetics. We explored the potential of estimating individual ploidy levels from target-enrichment data and how assumptions about ploidy could affect analyses. C_LIO_LIMethods -- We developed a novel bioinformatic pipeline to estimate ploidy and genotypes from target-enrichment data. We estimated standard population genetic summary statistics in addition to species trees and population structure. Extended Bayesian skyline plots provided estimates of population size through time for empirical and simulated data. C_LIO_LIKey Result -- All Malagasy Loudetia simplex individuals sampled in this study formed a clade and possibly indicated an ancestral Central Highland distribution of 800m in altitude and above. Demographic models suggested grassland expansions occurred prior to the Last Interglacial Period and supported extensive grasslands prior to human colonization. Though there are limitations to target-enrichment data for population genetic studies, we find that analyses of population structure are reliable. C_LIO_LIKey Point --Genetic variation in Loudetia simplex supports widespread grasslands in Madagascar prior to the more recent periods of notable paleoclimatic change. However, the methods explored here could not differentiate between paleoclimatic change near the Last Glacial Maximum and anthropogenic effects. Target-enrichment data can be a valuable tool for analyses of population structure in the absence a reference genome. C_LI Societal Impact StatementRecognizing Loudetia dominated grasslands were widespread prior to human colonization highlights that open ecosystems were and continue to be an important component of Madagascars biodiversity. Urgently required are biodiversity inventories and integrative taxonomic treatments of grassland flora and fauna to asses risks to understudied ecosystems historically regarded as wastelands. Substantial financial and logistical barriers exist to implementing conservation studies using contemporary genomic tools. We ameliorated some of the challenges for population genetic analyses of non-model polyploids lacking reference genomes by developing computational resources to leverage a cost-effective data generation strategy that requires no prior genetic knowledge of the target species. ResumeO_LILes objectifs de la recherche -- Letendue des ecosystemes ouverts de Madagascar avant la colonisation humaine reste a eclaircir. Nous avons utilise une analyse de la population genetique dune graminee C4 adaptee au feu, largement dominante, Loudetia simplex, comme reference pour estimer les changements au niveau de ces biomes au fil du temps. Nous avons examine attentivement lutilite des donnees denrichissement cible pour la genetique de population afin de formuler des recommandations pour la conservation genetique. Nous avons explore le potentiel de lestimation du niveau des ploidies individuelles a partir des donnees denrichissement cible et comment les hypotheses a propos de ces ploidies pourraient affecter les analyses. C_LIO_LILes methodes -- Nous avons developpe un nouveau canal bioinformatique pour estimer les ploidies et les genotypes a partir des donnees denrichissement cible. Nous avons estime les statistiques standard de la population genetique, en plus des arbres des especes et de la structure de la population. Lutilisation des traces etendus du ciel bayesien a fourni une estimation de la taille de la population au fil du temps pour des donnees empiriques et simulees. C_LIO_LIResultat cle -- Tous les individus Malagasy de Loudetia simplex echantillonnes dans cette etude ont forme un clade, indiquant une eventuelle ancienne distribution dans les hauts plateaux. Les modeles demographiques suggerent une expansion des prairies bien avant la derniere periode interglaciaire et soutiennent lexistence dune vaste distribution avant la colonisation humaine. Bien quil y ait des limites a lenrichissement des donnees cibles pour letude de la genetique des populations, nous constatons que lanalyse des structures des populations est fiable. C_LIO_LILes points cles -- La variation genetique de Loudetia simplex soutient lexistence de vastes prairies a Madagascar avant les periodes plus recentes de changements paleoclimatiques notables. Cependant, les methodes explorees ici nont pas permis de faire la difference entre les changements paleoclimatiques pres du dernier maximum glaciaire et les effets anthropogenes. Les donnees denrichissement cible peuvent etre un outil precieux pour les analyses de la structure des populations en labsence dun genome de reference. C_LI Declaration dimpact societalReconnaitre que les prairies dominees par Loudetia etaient repandues avant la colonisation humaine souligne que les ecosystemes ouverts etaient et continuent detre un composant important de la biodiversite de Madagascar. Il est urgent de realiser des inventaires de la biodiversite et une taxonomie integree pour le traitement de la flore et de la faune des ecosystemes ouverts afin devaluer les risques pour les ecosystemes sous-etudies consideres historiquement comme des terres en friches. Des barrieres financieres et logistiques existent pour mettre en uvre letude de la conservation en utilisant les outils genomiques contemporains. Nous avons ameliore certains des defis lies aux analyses genetiques de populations de polyploides non modeles, sans genomes de reference, en developpant des ressources informatiques pour exploiter une strategie pouvant generer des donnees rentables ne necessitant aucune connaissance genetique prealable de lespece cible. FamintinanaO_LINy tanjonny fikarohana -- Mbola tsy fantatra mazava tsara ny fivelaranny hivoka teto Madagasikara talohanny fahatongavany olombelona. Mba ahafantarana ny fihovana nitranga nandritra ny fotoana naharitra teo aminireo hivoka ireo dia nanao famakafakahana ara-genetika aminny ahitra C4 miompana aminny afo iray antsoina Loudetia simplex ara-tsiantifika na Berambo na Hara aminny teny malagasy izahay. Nandinika tsara ny maha-zava-dehibe ny fampitomboana ny antotan-kevitra mba ahafahana manolo-kevitra momba ny fiarovana ny fototarazo genetika. Nandinika ny mety mampiavaka ny fanombanana anny ploidy tsirairay aminny fampitomboana antotan-kevitra sy ny mety ho fiantraikanny fiheverana momba ireo ploidy ireo aminny fikarohana. C_LIO_LIFomba Fiasa -- Namorona fantsona bioinformatika vaovao mba ahafahana manombana ny ploidy sy ny << genotypes >> avy aminny antotan-kevitra nokendrena izahay. Notombanana ny antontanisa famintinana ny fototarazo ara-genetikanireo vondronahitra ireo, miampy ny karazana hazo sy ny firafitry ny vondrona na koa hoe mponina. Nanome tombantombana ny habenny mponina aminny alalanny fotoana ny antontan-kevitra voavinavina azo taminny fikarohana. Fikarohana izay azo taminny alalanny << Bayesina Skuline Plots >>. C_LIO_LIVokam-pikarohana fototra -- Ny vondrona Loudetia simplex eto Madagasikara izay niasana dia namorona << clade >> na fikambanana iray, izay manondro ny mety maha ela netezana sy tranainy anio ahitra io eny aminny faritra avo. Ny modely demografika dia manoro hevitra aminny naha be velarana ny hivoka izay efa ela talohanny vanim-potoana << interglacial >> farany ary manohana ny fivelarana midadasika anireo kijana ireo alohanny fonenanny olombelona. Na dia misy fetrany aza ny fampitomboana ny antotan-kevitra kendrena aminny fandalinana ny fototarazo genetika mombanny mponina, dia hita fa azo itokisana ny fikarohana natao mombanny firafitry ny mponina. C_LIO_LIHevi-dehibe -- Ny fahasamihafana ara-genetika ao aminny Loudetia simplex dia manohana ny fisianny hivoka na kijana midadasika eto Madagasikara talohanny vanim-potoananny fiovana paleoclimatika nisongadina. Na izany aza, ny fombam-pikarohana nampiasana teto dia tsy nahavita nanavaka ny fiovanny paleoclimatika akaikinny vanim-potoana lehibe nangatsiaka farany sy ny vokatry ny fitrandrahana nataonny olombelona. Mety ho fitaovana manan-danja aminny famakafakana ny firafitry ny mponina ny antotan-kevitra nampitombona na dia tsy misy fitaovana genomika iangaina aza. C_LI Fanambarana fiantraika ara-tsosialyNy fanekena fa niely patrana ny hivoka itoeranny Loudetia talohanny fanjanahanny olombelona dia manamarika fa ireo hivoka ireo dia singa manan-danja aminny zavamananaina eto Madagasikara. Ilaina maika ny fahafantarana ara biolojika sy taxononomique ny zavamaniry sy ny biby aminny hivoka mba hanombanana ny loza mety hitranga aminny hivoka izay tsy ananana fahalalana maro sady heverina ho tany maina. Misy sakana ara-bola sy ara-pitaovana aminny fampiharana ny fandalinana momba ny fiarovana izay nampiasana fitaovana genomika ankehitriny. Nohatsarainay ny sasany aminireo fanamby mifandraika aminny famakafakana ara-genetika ny mponina manana ploidy maro tsy modely, izay tsy misy fitaovana genomika iaingana, aminny alalanny fampivoarana loharanon-kevitra kajy mba hitrandrahana paikady izay mety hiteraka angon-drakitra mahomby tsy mitaky fahalalana mahakasika ny fototarazo ara-genetika ny zava-maniry izay tiana karohina.