食品發(fā)酵是人類歷史上最古老的利用微生物進行生產實踐的行為，發(fā)酵奶制品很可能是最早出現(xiàn)的發(fā)酵食品。這一歷史進程中，古人類發(fā)酵制作奶酪技術在史前歐亞大陸如何交流擴散，長期以來備受學界和大眾關注。

國際首個古代奶制品遺存基因組研究

最近，中國科學家開發(fā)古DNA技術對新疆小河墓地出土“最古老奶酪”進行系統(tǒng)性古微生物基因組研究，揭示新疆塔里木盆地史前存在兩條發(fā)酵制作奶酪技術的交流擴散路線，并厘清塔里木盆地古人群的生活方式、技術文化的交流和發(fā)展。

這項國際首個古代奶制品遺存基因組研究的重要成果，由中國科學院古脊椎動物與古人類研究所(古脊椎所)付巧妹研究團隊聯(lián)合中國科學院大學人文學院楊益民教授，并與新疆文物考古研究所、新疆大學、國家文物局考古研究中心等科研同行合作完成，相關研究論文于北京時間9月25日夜間在國際著名學術期刊《細胞》(Cell)上線發(fā)表，并被選為重點推薦論文。

付巧妹研究員在中國科學院古脊椎所古DNA超凈室中對奶酪樣本進行實驗。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所/供圖

國際同行專家評價稱，“這是領域里很罕見的挖掘全新數(shù)據(jù)的古DNA研究”“這一首例來自考古樣本的共生微生物基因組意義重大，為歐亞草原中部人群的遷徙交流與微生物馴化歷史帶來新認識”。

團隊介紹說，不同人群文化對食品發(fā)酵有各自的偏好，生業(yè)模式的轉變及農業(yè)發(fā)展也和發(fā)酵技術的演變息息相關。盡管人類食用發(fā)酵奶制品的歷史悠久，但目前關于人類歷史上對發(fā)酵微生物的應用和技術交流歷史，以及發(fā)酵微生物本身的演化過程，特別是發(fā)酵微生物在長時間馴化條件下功能性基因的演變知之甚少。因此，針對古代發(fā)酵奶制品展開系統(tǒng)的古微生物基因組研究，成為探究這些問題的關鍵手段。

付巧妹團隊歷經(jīng)11年探索和研究，自主設計乳酸菌全基因組位點探針，將開菲爾奶酪樣品中的乳酸菌DNA從0.43%-0.55%富集提升至64-80%，使得第一例古代全基因組研究成為可能。

本項研究中，科研團隊從距今約3500年的3例古老奶酪樣本中提取出26層高質量的古代開菲爾中的乳酸菌基因組，發(fā)現(xiàn)其形成不同于歐洲菌株的分支，揭示開菲爾乳酸菌的另一獨立的、東亞內陸傳播路線。

隨后，進一步通過探索開菲爾乳酸菌適應性演化歷程，科研團隊厘清新疆塔里木盆地古人群的生活方式、技術文化的交流和發(fā)展，以及在進化時間尺度上開菲爾乳酸菌與人群協(xié)同演化、互利共生的分子機制。

揭示開菲爾乳酸菌一條新的傳播路線

新疆小河墓地出土的“奶酪”樣本是迄今發(fā)現(xiàn)最早的奶酪制品，在此前通過古蛋白質組學已被鑒定為開菲爾奶酪，其來源自開菲爾酸奶，由開菲爾粒(類似酒曲)在奶中發(fā)酵而成。

新疆小河墓地出土、編號為M25的青銅時代奶酪樣本。中國科學院大學人文學院教授楊益民/供圖

通過重建其發(fā)酵微生物群落，本項研究進一步確證小河墓地奶酪制品由開菲爾乳酸菌發(fā)酵生產，而且用于制作開菲爾奶酪的產奶山羊來自新石器時代之后廣泛分布在歐亞大陸的一個支系，而非東亞內陸地區(qū)同時期分布的馴化山羊。這表明，新疆塔里木盆地古人群對開菲爾的開發(fā)很可能與該時期與歐亞草原人群的交流有關。

奶制品發(fā)酵技術的傳播在很大程度上伴隨著人類的遷徙和互動，這一過程推動了在發(fā)酵作用中發(fā)揮重要作用的乳酸菌演化。此次研究通過對新疆古代開菲爾乳酸菌的系統(tǒng)發(fā)育關系分析，揭示出開菲爾乳酸菌的一條新的傳播路線。

研究發(fā)現(xiàn)用于發(fā)酵的開菲爾乳酸菌分兩個重要支系：一個支系主要包括來自歐洲(德國)、亞洲沿海和島嶼地區(qū)(廣東、臺灣島和日本、新加坡)的菌株，其符合從高加索擴散到歐洲及亞洲和東南亞沿海地區(qū)的擴散路線;另一支系主要包括分布在東亞內陸地區(qū)(包括西藏)的菌株，新疆塔里木盆地古人群用于發(fā)酵開菲爾酸奶的菌株便來自該支系，且處在基部位置。這就表明，存在另一條通過技術文化交流將開菲爾酸奶制作工藝從新疆地區(qū)傳播至東亞內陸的傳播路線。

合作團隊認為，由此可見，開菲爾乳酸菌兩個支系的分化，很可能就是其共同祖先最初被馴化后在不同人群的傳播所導致，代表不同古人群在應用和馴化發(fā)酵微生物過程中，發(fā)生了不同路線的遷徙與交流。

實證古人群與發(fā)酵微生物協(xié)同演化史

合作團隊指出，古人群通過食用發(fā)酵奶制品攝入大量發(fā)酵微生物，而這些有益的共生微生物伴隨著環(huán)境壓力、人類活動、技術文化的變遷，以及通過長時間與人類體內其他腸道微生物群落的相互作用，其本身基因組也發(fā)生相應演變，開菲爾乳酸菌的演化也是如此。

通過對青銅時代和現(xiàn)代開菲爾乳酸菌基因組的比較分析，本次研究得以探究過去數(shù)千年里開菲爾乳酸菌的適應性演化特點，同時反映出古人群與該共生微生物的協(xié)同演化歷史。

科研團隊通過比較新疆3500年前的開菲爾乳酸菌和現(xiàn)代開菲爾乳酸菌菌株的功能性基因，發(fā)現(xiàn)開菲爾乳酸菌的演化主要體現(xiàn)在三個方面：

一是對環(huán)境壓力的適應性，相比于青銅時代的開菲爾乳酸菌，現(xiàn)代開菲爾乳酸菌的菌株中出現(xiàn)了可能參與到耐藥機制的基因簇;二是細菌基因組防御機制的增強，現(xiàn)代開菲爾乳酸菌出現(xiàn)與細菌自身免疫相關的基因簇，能對抗外源DNA入侵，從而維持基因組的穩(wěn)定性;三是對人類腸道環(huán)境相關的適應，現(xiàn)代開菲爾乳酸菌的菌株中出現(xiàn)與細胞壁表面結構及潛在的與宿主會發(fā)生相互作用的基因簇，這些基因簇的出現(xiàn)很可能與其自身和人類的長期互動有關。

考慮到開菲爾酸奶的制作是通過開菲爾粒進行，而古人群在貿易交流中能夠很方便交易開菲爾粒，那么這些基因簇的出現(xiàn)很可能與當時人群對攜帶不同支系開菲爾乳酸菌的開菲爾粒的偏好有關。由此來看，開菲爾乳酸菌這樣長時間被人類馴化利用的菌株，其基因組演化除了菌株本身的適應性演化外，也是人類長時間對微生物具偏好性馴化的結果。

團隊總結表示，微生物與人類的相互作用貫穿人類數(shù)百萬年的演化歷史，數(shù)以億計的微生物與人類共生，參與到人類體內營養(yǎng)的合成與毒素的分解，在人類健康及其與環(huán)境的高度互動中扮演重要角色。

本項研究以與人類活動和生業(yè)模式息息相關的共生微生物為突破口，用前所未有的古DNA證據(jù)揭開過去人群對微生物的應用馴化和傳播交流歷史，從分子機制層面厘清相關菌株的引入、傳播和演變歷程，可為深入理解相關人群技術文化的交流、發(fā)展以及與環(huán)境高度動態(tài)的相互作用，提供全新視角和思路。(完)

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