古人類發(fā)酵制奶酪技術(shù)如何交流擴(kuò)散？中國(guó)科學(xué)家古DNA研究揭秘

食品發(fā)酵是人類歷史上最古老的利用微生物進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)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(jìn)程中，古人類發(fā)酵制作奶酪技術(shù)在史前歐亞大陸如何交流擴(kuò)散，長(zhǎng)期以來備受學(xué)界和大眾關(guān)注。

國(guó)際首個(gè)古代奶制品遺存基因組研究

最近，中國(guó)科學(xué)家開發(fā)古DNA技術(shù)對(duì)新疆小河墓地出土“最古老奶酪”進(jìn)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(shù)的交流擴(kuò)散路線，并厘清塔里木盆地古人群的生活方式、技術(shù)文化的交流和發(fā)展。

這項(xiàng)國(guó)際首個(gè)古代奶制品遺存基因組研究的重要成果，由中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所(古脊椎所)付巧妹研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院楊益民教授，并與新疆文物考古研究所、新疆大學(xué)、國(guó)家文物局考古研究中心等科研同行合作完成，相關(guān)研究論文于北京時(shí)間9月25日夜間在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)上線發(fā)表，并被選為重點(diǎn)推薦論文。

付巧妹研究員在中國(guó)科學(xué)院古脊椎所古DNA超凈室中對(duì)奶酪樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所/供圖

國(guó)際同行專家評(píng)價(jià)稱，“這是領(lǐng)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(rèn)識(shí)”。

團(tuán)隊(duì)介紹說，不同人群文化對(duì)食品發(fā)酵有各自的偏好，生業(yè)模式的轉(zhuǎn)變及農(nóng)業(yè)發(fā)展也和發(fā)酵技術(shù)的演變息息相關(guān)。盡管人類食用發(fā)酵奶制品的歷史悠久，但目前關(guān)于人類歷史上對(duì)發(fā)酵微生物的應(yīng)用和技術(shù)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(zhǎng)時(shí)間馴化條件下功能性基因的演變知之甚少。因此，針對(duì)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(guān)鍵手段。

付巧妹團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)11年探索和研究，自主設(shè)計(jì)乳酸菌全基因組位點(diǎn)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(xiàng)研究中，科研團(tuán)隊(duì)從距今約3500年的3例古老奶酪樣本中提取出26層高質(zhì)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(dú)立的、東亞內(nèi)陸傳播路線。

隨后，進(jìn)一步通過探索開菲爾乳酸菌適應(yīng)性演化歷程，科研團(tuán)隊(duì)厘清新疆塔里木盆地古人群的生活方式、技術(shù)文化的交流和發(fā)展，以及在進(jìn)化時(shí)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(jī)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(zhì)組學(xué)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(hào)為M25的青銅時(shí)代奶酪樣本。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院教授楊益民/供圖

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

奶制品發(fā)酵技術(shù)的傳播在很大程度上伴隨著人類的遷徙和互動(dòng)，這一過程推動(dòng)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(duì)新疆古代開菲爾乳酸菌的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)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(gè)重要支系：一個(gè)支系主要包括來自歐洲(德國(guó))、亞洲沿海和島嶼地區(qū)(廣東、臺(tái)灣島和日本、新加坡)的菌株，其符合從高加索擴(kuò)散到歐洲及亞洲和東南亞沿海地區(qū)的擴(kuò)散路線;另一支系主要包括分布在東亞內(nèi)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(shù)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(nèi)陸的傳播路線。

合作團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，由此可見，開菲爾乳酸菌兩個(gè)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(dǎo)致，代表不同古人群在應(yīng)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(shí)證古人群與發(fā)酵微生物協(xié)同演化史

合作團(tuán)隊(duì)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(dòng)、技術(shù)文化的變遷，以及通過長(zhǎng)時(shí)間與人類體內(nèi)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(yīng)演變，開菲爾乳酸菌的演化也是如此。

通過對(duì)青銅時(shí)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(yīng)性演化特點(diǎn)，同時(shí)反映出古人群與該共生微生物的協(xié)同演化歷史。

科研團(tuán)隊(duì)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(gè)方面：

一是對(duì)環(huán)境壓力的適應(yīng)性，相比于青銅時(shí)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(jī)制的基因簇;二是細(xì)菌基因組防御機(jī)制的增強(qiáng)，現(xiàn)代開菲爾乳酸菌出現(xiàn)與細(xì)菌自身免疫相關(guān)的基因簇，能對(duì)抗外源DNA入侵，從而維持基因組的穩(wěn)定性;三是對(duì)人類腸道環(huán)境相關(guān)的適應(yīng)，現(xiàn)代開菲爾乳酸菌的菌株中出現(xiàn)與細(xì)胞壁表面結(jié)構(gòu)及潛在的與宿主會(huì)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(zhǎng)期互動(dòng)有關(guān)。

考慮到開菲爾酸奶的制作是通過開菲爾粒進(jìn)行，而古人群在貿(mào)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(dāng)時(shí)人群對(duì)攜帶不同支系開菲爾乳酸菌的開菲爾粒的偏好有關(guān)。由此來看，開菲爾乳酸菌這樣長(zhǎng)時(shí)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(yīng)性演化外，也是人類長(zhǎng)時(shí)間對(duì)微生物具偏好性馴化的結(jié)果。

團(tuán)隊(duì)總結(jié)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(jì)的微生物與人類共生，參與到人類體內(nèi)營(yíng)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(dòng)中扮演重要角色。

本項(xiàng)研究以與人類活動(dòng)和生業(yè)模式息息相關(guān)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(duì)微生物的應(yīng)用馴化和傳播交流歷史，從分子機(jī)制層面厘清相關(guān)菌株的引入、傳播和演變歷程，可為深入理解相關(guān)人群技術(shù)文化的交流、發(fā)展以及與環(huán)境高度動(dòng)態(tài)的相互作用，提供全新視角和思路。(完)

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