Genetic variation inLoudetia simplexsupports the presence of ancient grasslands in Madagascar
Authors: Tiley George P. , Crowl Andrew A. , Almary Tchana O. M. , Quentin Luke W. R. , Solofondranohatra Cédrique L. , Besnard Guillaume , Lehmann Caroline E.R. , Yoder Anne D. , Vorontsova Maria S. 
Published: April 2023

Research Aims — The extent of Madagascar’s grasslands prior to human colonization is unresolved. We used population genetic analyses of a broadly dominant C4fire-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.

Methods — 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.

Key Result — All MalagasyLoudetia simplexindividuals 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.

Key Point —Genetic variation inLoudetia simplexsupports 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.

Societal Impact Statement

RecognizingLoudetiadominated grasslands were widespread prior to human colonization highlights that open ecosystems were and continue to be an important component of Madagascar’s 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.

Les objectifs de la recherche — L’étendue des écosystèmes ouverts de Madagascar avant la colonisation humaine reste à éclaircir. Nous avons utilisé une analyse de la population génétique d’une graminée C4adaptée au feu, largement dominante, Loudetia simplex, comme référence pour estimer les changements au niveau de ces biomes au fil du temps. Nous avons examiné attentivement l’utilité des données d’enrichissement ciblé pour la génétique de population afin de formuler des recommandations pour la conservation génétique. Nous avons exploré le potentiel de l’estimation du niveau des ploidies individuelles à partir des données d’enrichissement ciblé et comment les hypothèses à propos de ces ploidies pourraient affecter les analyses.

Les méthodes — Nous avons développé un nouveau canal bioinformatique pour estimer les ploidies et les génotypes à partir des données d’enrichissement ciblé. Nous avons estimé les statistiques standard de la population génétique, en plus des arbres des espèces et de la structure de la population. L’utilisation des tracés étendus du ciel bayésien a fourni une estimation de la taille de la population au fil du temps pour des données empiriques et simulées.

Résultat clé — Tous les individus Malagasy deLoudetia simplexéchantillonnés dans cette étude ont formé un clade, indiquant une éventuelle ancienne distribution dans les hauts plateaux. Les modèles démographiques suggèrent une expansion des prairies bien avant la dernière période interglaciaire et soutiennent l’existence d’une vaste distribution avant la colonisation humaine. Bien qu’il y ait des limites à l’enrichissement des données cibles pour l’étude de la génétique des populations, nous constatons que l’analyse des structures des populations est fiable.

Les points clés — La variation génétique deLoudetia simplexsoutient l’existence de vastes prairies à Madagascar avant les périodes plus récentes de changements paléoclimatiques notables. Cependant, les méthodes explorées ici n’ont pas permis de faire la différence entre les changements paléoclimatiques près du dernier maximum glaciaire et les effets anthropogènes. Les données d’enrichissement ciblé peuvent être un outil précieux pour les analyses de la structure des populations en l’absence d’un génome de référence.

Déclaration d’impact societal

Reconnaître que les prairies dominées par Loudetia étaient répandues avant la colonisation humaine souligne que les écosystèmes ouverts étaient et continuent d’être un composant important de la biodiversité de Madagascar. Il est urgent de réaliser des inventaires de la biodiversité et une taxonomie intégrée pour le traitement de la flore et de la faune des écosystèmes ouverts afin d’évaluer les risques pour les écosystèmes sous-étudiés considérés historiquement comme des terres en friches. Des barrières financières et logistiques existent pour mettre en œuvre l’étude de la conservation en utilisant les outils génomiques contemporains. Nous avons amélioré certains des défis liés aux analyses génétiques de populations de polyploïdes non modèles, sans génomes de référence, en développant des ressources informatiques pour exploiter une stratégie pouvant générer des données rentables ne nécessitant aucune connaissance génétique préalable de l’espèce cible.

Famintinana

Ny tanjon’ny fikarohana — Mbola tsy fantatra mazava tsara ny fivelaran’ny hivoka teto Madagasikara talohan’ny fahatongava’ny olombelona. Mba ahafantarana ny fihovana nitranga nandritra ny fotoana naharitra teo amin’ireo hivoka ireo dia nanao famakafakahana ara-genetika amin’ny ahitra C4miompana amin’ny afo iray antsoina Loudetia simplex ara-tsiantifika na Berambo na Hara amin’ny 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 an’ny ploidy tsirairay amin’ny fampitomboana antotan-kevitra sy ny mety ho fiantraikan’ny fiheverana momba ireo ploidy ireo amin’ny fikarohana.

Fomba Fiasa — Namorona fantsona bioinformatika vaovao mba ahafahana manombana ny ploidy sy ny « genotypes » avy amin’ny antotan-kevitra nokendrena izahay. Notombanana ny antontan’isa famintinana ny fototarazo ara-genetikan’ireo vondron’ahitra ireo, miampy ny karazana hazo sy ny firafitry ny vondrona na koa hoe mponina. Nanome tombantombana ny haben’ny mponina amin’ny alàlan’ny fotoana ny antontan-kevitra voavinavina azo tamin’ny fikarohana. Fikarohana izay azo tamin’ny alalan’ny « Bayesina Skuline Plots ».

Vokam-pikarohana fototra — Ny vondronaLoudetia simplexeto Madagasikara izay niasana dia namorona « clade » na fikambanana iray, izay manondro ny mety maha ela netezana sy tranainy an’io ahitra io eny amin’ny faritra avo. Ny modely demografika dia manoro hevitra amin’ny naha be velarana ny hivoka izay efa ela talohan’ny vanim-potoana « interglacial » farany ary manohana ny fivelarana midadasika an’ireo kijana ireo alohan’ny fonenan’ny olombelona. Na dia misy fetrany aza ny fampitomboana ny antotan-kevitra kendrena amin’ny fandalinana ny fototarazo genetika momban’ny mponina, dia hita fa azo itokisana ny fikarohana natao momban’ny firafitry ny mponina.

Hevi-dehibe — Ny fahasamihafana ara-genetika ao amin’nyLoudetia simplexdia manohana ny fisian’ny hivoka na kijana midadasika eto Madagasikara talohan’ny vanim-potoanan’ny fiovana paleoclimatika nisongadina. Na izany aza, ny fombam-pikarohana nampiasana teto dia tsy nahavita nanavaka ny fiovan’ny paleoclimatika akaikin’ny vanim-potoana lehibe nangatsiaka farany sy ny vokatry ny fitrandrahana nataon’ny olombelona. Mety ho fitaovana manan-danja amin’ny famakafakana ny firafitry ny mponina ny antotan-kevitra nampitombona na dia tsy misy fitaovana genomika iangaina aza.

Fanambarana fiantraika ara-tsosialy

Ny fanekena fa niely patrana ny hivoka itoeran’nyLoudetiatalohan’ny fanjanahan’ny olombelona dia manamarika fa ireo hivoka ireo dia singa manan-danja amin’ny zavamananaina eto Madagasikara. Ilaina maika ny fahafantarana ara biolojika sy taxononomique ny zavamaniry sy ny biby amin’ny hivoka mba hanombanana ny loza mety hitranga amin’ny hivoka izay tsy ananana fahalalana maro sady heverina ho tany maina. Misy sakana ara-bola sy ara-pitaovana amin’ny fampiharana ny fandalinana momba ny fiarovana izay nampiasana fitaovana génomika ankehitriny. Nohatsarainay ny sasany amin’ireo fanamby mifandraika amin’ny famakafakana ara-genetika ny mponina manana ploidy maro tsy modely, izay tsy misy fitaovana genomika iaingana, amin’ny alàlan’ny 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.