食品發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,不同人群文化對食品發酵有各自的偏好,生業模式的轉變及農業發展也和發酵技術的演變息息相關。發酵奶制品很可能是最早出現的發酵食品,盡管人類食用發酵奶制品的歷史悠久,但目前關于人類歷史上對發酵微生物的應用和技術交流歷史,以及發酵微生物本身的演化過程,特別是發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。對此,針對古代發酵奶制品展開系統的古微生物基因組研究,成為探究這些問題的關鍵手段。
北京時間9月25日,Cell雜志在線發表中國科學院古脊椎動物與古人類研究所(以下稱“古脊椎所”)付巧妹研究團隊聯合中國科學院大學人文學院楊益民教授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、北京大學第三醫院等單位合作針對新疆小河墓地出土“最古老奶酪”的系統性古微生物基因組研究成果“Bronze Age cheese reveals human-Lactobacillus interactions over evolutionary history”( 論文主要完成人付巧妹,劉逸宸、楊益民)。該研究被選為Cell重點推薦論文,是國際首個古代奶制品遺存宏基因組研究。付巧妹團隊歷經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。研究從距今約3,500年的3例古老奶酪樣本中提取出26x高質量的古代開菲爾中的乳酸菌(Lactobacillus kefiranofaciens)基因組,發現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;且通過探索開菲爾乳酸菌適應性演化歷程,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展,及在進化時間尺度上開菲爾乳酸菌與人群協同演化、互利共生的分子機制。
一、古代新疆人群對開菲爾酸奶的應用和傳播歷史
新疆小河墓地出土的“奶酪”樣本是迄今發現最早的奶酪制品,且在此前通過古蛋
白質組學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)在奶中發酵而成。通過重建其發酵微生物群落,該研究進一步確證該奶酪制品由開菲爾乳酸菌發酵生產,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,而非東亞內陸地區同時期分布的馴化山羊。該結果表明新疆塔里木盆地古人群對開菲爾的開發很可能與該時期與歐亞草原人群的交流有關。
奶制品發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酵作用中發揮重要作用的乳酸菌演化。該研究通過對新疆古代開菲爾乳酸菌的系統發育關系分析,揭示了開菲爾乳酸菌的一條新的傳播路線。研究發現用于發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(廣東、臺灣島、日本和新加坡)的菌株,該支系符合從高加索擴散到歐洲及亞洲和東南亞沿海地區的擴散路線,而另一支系主要包括分布在東亞內陸地區(包括西藏)的菌株,新疆塔里木盆地古人群用于發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傳播至東亞內陸的傳播路線。
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的,代表不同古人群在應用和馴化發酵微生物過程中發生了不同路線的遷徙與交流。
二、古人群與發酵微生物的協同演化歷史
古人群通過食用發酵奶制品攝入大量發酵微生物,而這些有益的共生微生物伴隨著環境壓力、人類活動、技術文化的變遷,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,其本身基因組也發生了相應的演變,開菲爾乳酸菌的演化亦是如此。通過對青銅時代和現代開菲爾乳酸菌基因組的比較分析,研究得以探究過去數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同演化歷史。
廣泛的水平基因轉移是乳酸菌適應性演化的主要機制之一。研究通過比較新疆3,500年前的開菲爾乳酸菌和現代開菲爾乳酸菌菌株的功能性基因,發現開菲爾乳酸菌的演化主要體現在三個方面:一是對環境壓力的適應性,相比于青銅時代的開菲爾乳酸菌,現代開菲爾乳酸菌的菌株中出現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,現代開菲爾乳酸菌出現與細菌自身免疫相關的R-M系統和toxin-antitoxin系統等基因簇,這些基因簇能對抗外源DNA入侵,從而維持基因組的穩定性。三是對人類腸道環境相關的適應,現代開菲爾乳酸菌的菌株中出現了與細胞壁表面結構及潛在的與宿主會發生相互作用的基因簇,這些基因簇的出現很可能與其自身和人類的長期互動有關。
比如,研究發現人類長時間的應用和馴化很可能也影響了開菲爾乳酸菌的演化。相比于新疆地區青銅時代的開菲爾乳酸菌而言,西藏地區的現代開菲爾乳酸菌菌株中出現了兩個與減輕腸道炎癥反應相關的水平轉移的基因簇,這些基因簇不僅有利于乳桿菌在人類腸道中生存,而且能促進腸道功能。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。
微生物與人類的相互作用貫穿了人類數百萬年的演化歷史,數以億計的的微生物與人類共生,參與到人類體內營養的合成與毒素的分解,在人類健康及其與環境的高度互動中扮演了重要角色。該研究以與人類活動和生業模式息息相關的共生微生物為突破口,用前所未有的古分子證據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,為深入理解相關人群技術文化的交流和發展,與環境高度動態的相互作用提供了全新思路和獨特維度。國際相關專家評價,“這是領域里很罕見的挖掘全新數據的古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”。
相關研究得到國家自然科學基金、中國科學院、生物醫學峰基金、中央高校基本科研業務費經費支持。
論文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00899-7
圖1.新疆小河墓地出土的木乃伊樣本(被稱為“小河公主”,奶酪樣本即圍繞在其脖子周圍)
(圖片來自新疆維吾爾自治區考古研究所李文瑛)
圖2.新疆小河墓地出土、編號為M25的青銅時代奶酪樣本
(圖片來自中國科學院大學人文學院楊益民)
圖3.新疆小河墓地出土、編號為M29的青銅時代奶酪樣本
(圖片來自中國科學院古脊椎動物與古人類研究所平婉菁)
圖4.開菲爾乳酸菌的傳播路線和演化歷史
圖5.新疆小河墓地平面圖、出土樣本及奶酪樣本中的微生物組成
(A)新疆小河墓地平面圖;(B)新疆小河墓地出土的木乃伊樣本;(C)本研究獲得微生物基因組的三組青銅時代奶酪樣本;(D)奶酪樣本中的微生物DNA組成
圖6.古代開菲爾乳酸菌和現代開菲爾乳酸菌的功能性基因分布和水平基因轉移
(A)古代和現代開菲爾乳酸菌菌株的主要功能性基因的比例;(B)古代和現代開菲爾乳酸菌菌株的主要功能性基因的分布;(C)古代和現代開菲爾乳酸菌菌株基因組可能的水平基因轉移區域
(原標題：古DNA揭示人類對開菲爾乳酸菌的應用、傳播和馴化歷史)