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新疆小河墓地出土的編號為M25的青銅時代奶酪樣本。楊益民供圖打開淘寶，搜索“開菲爾菌種”，白菜花顆粒狀的圖片就會立刻跳出來。人們花幾十塊錢，就能用它自制酸奶，發(fā)酵豆?jié){、奶酪等。而這種制作乳制品的方法，早在4000年前，就已經(jīng)被生活在樓蘭小河墓地的古人掌握了。過去11年，中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所研究員付巧妹團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院大學(xué)教授楊益民以及新疆文物考古研究所等單位，針對新疆小河墓地出土的世界最早奶酪進(jìn)行了國際首個古代奶制品遺存宏基因組研究，用全新的古分子證據(jù)揭開了古人群對微生物的應(yīng)用馴化和傳播交流歷史。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《細(xì)胞》。更新開菲爾乳酸菌傳播歷史2003年，新疆小河墓地出土了一具約4000年前保存相當(dāng)完整的女干尸，她因混血的美貌征服了考古學(xué)家，被稱為“小河公主”。2010年后，考古學(xué)家在“小河公主”頸部和胸部發(fā)現(xiàn)了一些淡黃色塊狀物，其腰側(cè)隨葬草簍中則有大量顆粒狀物質(zhì)。經(jīng)過近4年的研究，楊益民團(tuán)隊與德國馬克斯·普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所的科研人員發(fā)現(xiàn)，這些塊狀物和顆粒狀物質(zhì)均由不同蛋白質(zhì)組成。顆粒狀物質(zhì)的蛋白組成接近全奶，而塊狀物的乳清蛋白含量較低，以酪蛋白為主，證明是奶酪。當(dāng)時，科研人員還揭開了這種奶酪的制作工藝細(xì)節(jié)——由開菲爾乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)的。這幾塊全球最早的奶酪實(shí)物（3600年前）吸引了許多人的關(guān)注，其中就包括付巧妹?！澳汤业谋４娣浅＠щy。這些實(shí)物得益于小河墓地獨(dú)特的干燥條件，從而保存下來。”于是，付巧妹有了一個大膽的猜想：這款奶酪中也許還存有開菲爾乳酸菌的古DNA。然而，此前從未有科學(xué)家提取過這類古DNA。為了獲取數(shù)據(jù)，付巧妹自主設(shè)計了專門針對乳酸菌的全基因組位點(diǎn)探針。正是利用這個工具，他們將開菲爾奶酪樣品中的乳酸菌DNA從0.43%~0.55%的富集程度一點(diǎn)一點(diǎn)提升至64%~80%，使第一例古代奶制品全基因組研究成為可能。最終，付巧妹團(tuán)隊從距今約3500年的3例古老奶酪樣本中提取出26x高質(zhì)量的古代開菲爾乳酸菌基因組。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，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的演化?，F(xiàn)代開菲爾乳酸菌基因組研究表明，開菲爾乳酸菌有兩個重要支系，一個支系主要包括來自歐洲（德國）、亞洲沿海和島嶼地區(qū)（中國廣東、臺灣，日本，新加坡）的菌株，這個支系符合從高加索到歐洲及亞洲和東南亞沿海地區(qū)的擴(kuò)散路線；另一個支系主要包括分布在東亞內(nèi)陸地區(qū)（包括中國西藏）的菌株。此前，科學(xué)家推測，西藏支系可能是獨(dú)立存在的。但付巧妹在對新疆古代開菲爾乳酸菌的系統(tǒng)發(fā)育分析中發(fā)現(xiàn)，新疆塔里木盆地古人群用于發(fā)酵開菲爾酸奶的菌株跟西藏的菌株更近，且處于這一支系演化的基部?！斑@意味著，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)陸的路線?！备肚擅谜f，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中傳播的結(jié)果，代表了不同古人群在應(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。古人群與乳酸菌協(xié)同演化古人群通過食用發(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(shù)文化的變遷，以及長時間與人類體內(nèi)其他腸道微生物群落的相互作用。它們的基因組也發(fā)生了相應(yīng)演變，開菲爾乳酸菌的演化亦是如此。廣泛的水平基因轉(zhuǎn)移是乳酸菌適應(yīng)性演化的主要機(jī)制之一，此次研究團(tuán)隊通過青銅時代和現(xiàn)代開菲爾乳酸菌基因組的比較分析，找到了5個新的基因片段，它們代表了不同的功能。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)了可能參與耐藥機(jī)制的基因簇。付巧妹認(rèn)為，這是開菲爾乳酸菌在演化過程中對環(huán)境壓力的適應(yīng)?，F(xiàn)代開菲爾乳酸菌還出現(xiàn)了與細(xì)菌自身免疫相關(guān)的R-M系統(tǒng)和toxin-antitoxin系統(tǒng)等基因簇。付巧妹解釋，這些基因簇能對抗外源DNA入侵，從而維持基因組穩(wěn)定性，這也代表了開菲爾乳酸菌防御機(jī)制的增強(qiáng)。有意思的是，相較新疆地區(qū)青銅時代的開菲爾乳酸菌，西藏地區(qū)的現(xiàn)代開菲爾乳酸菌菌株中出現(xiàn)了兩個與減輕腸道炎癥反應(yīng)相關(guān)的水平轉(zhuǎn)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，還能促進(jìn)腸道功能。微生物與人類的相互作用貫穿了人類數(shù)百萬年的演化歷史，數(shù)以億計的微生物與人類共生，參與人體內(nèi)營養(yǎng)合成與毒素分解，在人類健康及其與環(huán)境的高度互動中扮演了重要角色?！跋耖_菲爾乳酸菌這樣長時間被人類利用的菌株，除了本身的適應(yīng)性演化外，人類長時間的應(yīng)用和馴化很可能也影響了開菲爾乳酸菌的演化?！备肚擅谜f。對于這項從分子機(jī)制層面厘清相關(guān)菌株的引入、傳播和演變歷程的研究，國際專家評價：“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?！毕嚓P(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.008（原載于《中國科學(xué)報》?2024-09-30?第1版?要聞）