付巧妹等人在Cell发文： 首个古代发酵奶制品研究，揭示人类对乳酸菌的应用、传播和驯化
深究科学
2024-09-27 13:13
发布于浙江
科普领域创作者
图片来自中国科学院
导读
9月25日，中国科学院研究员付巧妹联合杨益民教授，及新疆文物考古研究所、新疆大学、国家文物局考古研究中心等多单位在Cell杂志发文，通过
青铜时代奶制品揭示进化尺度上人类与乳酸菌的相互作用历史。
这项研究是
国际首个古代奶制品遗存宏基因组研究
，被选为Cell重点推荐。
相关专家评论，
“这是领域里很罕见的挖掘全新数据的古DNA研究”
、
“这一首例来自考古样本的共生微生物基因组意义重大，为欧亚草原中部人群的迁徙交流与微生物驯化历史带来新认识”
。
微生物与人类的相互作用贯穿了人类数百万年的演化历史，数以亿计的的微生物与人类共生，参与到人类体内营养的合成与毒素的分解，在人类健康及其与环境的高度互动中扮演了重要角色。人类利用微生物进行生产实践（食品发酵）的行为由来已久，由此形成并发展出古人群相关的生活习惯、技术文化和生业模式，而人类的迁徙活动和应用偏好又可能对微生物本身的演化产生重要影响。
2024年9月25日，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹研究团队联合中国科学院大学人文学院杨益民教授，及新疆文物考古研究所、新疆大学、国家文物局考古研究中心等多单位，在Cell发表研究论文
Bronze Age cheese reveals human-Lactobacillus interactions over evolutionary history
《青铜时代奶制品揭示进化尺度上人类与乳酸菌的相互作用历史》。这项研究是
国际首个古代奶制品遗存宏基因组研究
，被选为Cell重点推荐论文。
该研究发现古代开菲尔乳酸菌存在欧洲和东亚两个重要分支，且古代新疆开菲尔乳酸菌位于东亚分支基部，揭示出开菲尔乳酸菌及开菲尔酸奶制作工艺的另一独立的、从新疆传播至东亚内陆的新传播路线
，为厘清新疆塔里木盆地古人群的生活方式及技术文化的交流发展提供了全新而独特的遗传学证据。此外，研究通过比较古代和现代开菲尔乳酸菌菌株的功能性基因，
发现开菲尔乳酸菌在过去数千年里与耐药机制、细菌自身免疫及减轻人类肠道炎症反应相关的功能性基因发生演变，揭示出进化时间尺度上乳酸菌与人群协同演化、互利共生的分子机制。
这一发现对于深入理解古代人类技术文化的传播交流、共生微生物遗传多样性的形成机制及现代微生物抗性基因的富集有重要科学意义。
围绕人类与微生物互动机制这个极具挑战性和趣味性的科学问题，研究团队
以古代发酵微生物DNA为突破口，揭示乳酸菌的引入、传播及在长时间驯化条件下基因组功能元件的演变历程，用前所未有的古分子证据揭开过去人群对微生物的应用驯化和传播交流历史。
上述工作得过国际学界的高度评价和认可，多位国际专家评价“这是领域里很罕见的挖掘全新数据的古DNA研究”，“这一首例来自考古样本的共生微生物基因组意义重大，为欧亚草原中部人群的迁徙交流与微生物驯化历史带来新认识”。
小河墓地一具木乃伊颈部遗留了
“最古老奶酪”
首先，要从“最古老奶酪”中获得可供分析的古代乳酸菌基因组并非易事。新疆小河墓地
出土的距今3,500年的“奶酪”样本是迄今发现最早的奶酪制品
，在此前通过古蛋白质组学被鉴定为开菲尔奶酪，其来源自开菲尔酸奶，由开菲尔粒（类似酒曲）在奶中发酵而成。由于长时间埋藏在地下，样本所携有目标乳酸菌的DNA含量非常低且被大量外源微生物DNA所污染，即使通过高通量测序技术，测序数据仍然很难达到分析需要的覆盖度和深度。为提高目标区域的测序质量，
付巧妹研究团队历经11年探索，自主设计乳酸菌全基因组位点探针，得以从仅含有 0.43-0.55%乳酸菌的开菲尔奶酪样本中捕获富集到64-80%的乳酸菌，使得第一例古代发酵微生物的全基因组研究成为可能。
通过木乃伊采集的奶酪样品
通过重建其发酵微生物群落，研究进一步确证该奶制品由开菲尔乳酸菌发酵生产，而且用于制作开菲尔奶酪的产奶山羊来自新石器时代之后广泛分布在欧亚大陆的一个支系，而非东亚内陆地区同时期分布的驯化山羊。这表明新疆塔里木盆地古人群对开菲尔酸奶的开发很可能与该时期与欧亚草原人群的交流有关。
为进一步探究开菲尔乳酸菌及相关发酵技术的传播，研究团队利用现代开菲尔乳酸菌的基因组数据，对新疆古代开菲尔乳酸菌进行系统发育关系分析，发现用于发酵的开菲尔乳酸菌主要分为两个支系，一个支系主要包括来自欧洲（德国）、亚洲沿海和岛屿地区（广东、台湾岛、日本和新加坡）的菌株，该支系符合从高加索扩散到欧洲及亚洲和东南亚沿海地区的扩散路线，而另一支系主要包括分布在东亚内陆地区（包括西藏）的菌株，新疆塔里木盆地古人群用于发酵开菲尔酸奶的菌株便来自该支系，且处在基部位置，表明存在另一条通过技术文化交流将开菲尔酸奶制作工艺从新疆地区传播至东亚内陆的传播路线。可见，开菲尔乳酸菌两个支系的分化很可能就是其共同祖先最初被驯化后在不同人群的传播所导致的，代表不同古人群在应用和驯化发酵微生物过程中发生了不同路线的迁徙与交流。
广泛的水平基因转移是乳酸菌适应性演化的主要机制之一。通过对青铜时代和现代开菲尔乳酸菌菌株功能性基因的比较分析，研究还得以探究过去数千年里，开菲尔乳酸菌伴随着环境压力、人类活动、技术文化的变迁，及长时间与人类体内其他肠道微生物群落的相互作用，其本身基因组在功能元件上发生的演变，同时揭示出古人群与该共生微生物的协同演化历史。研究发现开菲尔乳酸菌的适应性演化主要体现在三个方面：一是对环境压力的适应性，相比于青铜时代的开菲尔乳酸菌，现代开菲尔乳酸菌的菌株中出现了可能参与到耐药机制的基因簇；二是细菌基因组防御机制的增强，现代开菲尔乳酸菌出现与细菌自身免疫相关的R-M系统和toxin-antitoxin系统等基因簇，这些基因簇能对抗外源DNA入侵，从而维持基因组的稳定性；三是对人类肠道环境相关的适应，现代开菲尔乳酸菌的菌株中出现了与细胞壁表面结构及潜在的与宿主会发生相互作用的基因簇，这些基因簇的出现很可能与其自身和人类的长期互动有关。比如，相比于新疆地区青铜时代的开菲尔乳酸菌而言，西藏地区的现代开菲尔乳酸菌菌株中出现了两个与减轻肠道炎症反应相关的水平转移的基因簇，这些基因簇不仅有利于乳杆菌在人类肠道中生存，而且能促进肠道功能。考虑到开菲尔酸奶的制作是通过开菲尔粒进行，而古人群在贸易交流中能够很方便交易开菲尔粒，那么这些基因簇的出现很可能与当时人群对携带不同支系开菲尔乳酸菌的开菲尔粒的偏好有关。可见，开菲尔乳酸菌这样长时间被人类驯化利用的菌株，其基因组演化除了菌株本身的适应性演化外，也是人类长时间对微生物具偏好性驯化的结果。
综上所述，
研究团队的一系列技术探索和系统性古微生物基因组研究，得以重建世界首例古代奶制品的发酵微生物基因组数据，揭示乳酸菌3,500年以来在奶制品发酵环境中功能基因的演化历程，追溯新疆人群对发酵微生物的应用驯化和传播交流历史，为深入理解相关人群生活方式的演变和技术文化的交流发展，以及与环境高度动态的相互作用提供了全新思路和独特维度。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹研究员是论文的最后通讯作者（lead corresponding author），中国科学院古脊椎动物与古人类研究所刘逸宸副研究员、付巧妹研究员为论文共同第一作者；中国科学院大学杨益民教授是论文的共同通讯作者（co-corresponding author）。
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