食品發(fā)酵是人類(lèi)歷史上最古老的利用微生物進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐的行為。不同人群文化對(duì)食品發(fā)酵有不同的偏好。生業(yè)模式的轉(zhuǎn)變、農(nóng)業(yè)發(fā)展與發(fā)酵技術(shù)的演變相關(guān)。發(fā)酵奶制品可能是最早出現(xiàn)的發(fā)酵食品。盡管人類(lèi)食用發(fā)酵奶制品的歷史悠久，但目前關(guān)于人類(lèi)歷史上發(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(guò)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。對(duì)此，針對(duì)古代發(fā)酵奶制品展開(kāi)系統(tǒng)的古微生物基因組研究，成為探究這些問(wèn)題的關(guān)鍵手段。

9月25日，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所付巧妹團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院教授楊益民以及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、北京大學(xué)第三醫(yī)院等的科研人員，在《細(xì)胞》（Cell）上在線(xiàn)發(fā)表了針對(duì)新疆小河墓地出土“最古老奶酪”的系統(tǒng)性古微生物基因組研究成果（Bronze Age cheese reveals human-Lactobacillus interactions over evolutionary history）。這一成果被遴選為《細(xì)胞》重點(diǎn)推薦論文，是目前國(guó)際首個(gè)古代奶制品遺存宏基因組研究。

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(kāi)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。該研究從距今約3,500年的3例古老奶酪樣本中提取出26x高質(zhì)量的古代開(kāi)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(kāi)菲爾乳酸菌的另一獨(dú)立的、東亞內(nèi)陸傳播路線(xiàn)；通過(guò)探討開(kāi)菲爾乳酸菌適應(yīng)性演化歷程，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(kāi)菲爾乳酸菌與人群協(xié)同演化、互利共生的分子機(jī)制。

新疆小河墓地出土的奶酪樣本是迄今發(fā)現(xiàn)的最早的奶酪制品，并通過(guò)古蛋白質(zhì)組學(xué)被鑒定為開(kāi)菲爾奶酪。該樣本來(lái)源于開(kāi)菲爾酸奶，由開(kāi)菲爾粒在奶中發(fā)酵而成。進(jìn)一步，研究通過(guò)重建該樣本發(fā)酵微生物群落確證，這一奶酪制品由開(kāi)菲爾乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)，且用于制作開(kāi)菲爾奶酪的產(chǎn)奶山羊來(lái)自新石器時(shí)代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(kāi)菲爾的開(kāi)發(fā)可能和這一時(shí)期與歐亞草原人群的交流相關(guān)。

奶制品發(fā)酵技術(shù)的傳播在較大程度上伴隨著人類(lèi)的遷徙和互動(dòng)。這一過(guò)程推動(dòng)了在發(fā)酵作用中發(fā)揮重要作用的乳酸菌的演化。該研究通過(guò)對(duì)新疆古代開(kāi)菲爾乳酸菌的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系分析，揭示了開(kāi)菲爾乳酸菌新的傳播路線(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)了用于發(fā)酵的開(kāi)菲爾乳酸菌的兩個(gè)重要支系。一個(gè)支系主要包括來(lái)自歐洲（德國(guó)）、亞洲沿海和島嶼地區(qū)（廣東、臺(tái)灣島、日本和新加坡）的菌株。該支系符合從高加索擴(kuò)散到歐洲、亞洲和東南亞沿海地區(qū)的擴(kuò)散路線(xiàn)。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(kāi)菲爾酸奶的菌株便來(lái)自這一支系且處在基部位置。這表明存在另一條通過(guò)技術(shù)文化交流將開(kāi)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(xiàn)。

開(kāi)菲爾乳酸菌兩個(gè)支系的分化可能是其共同祖先最初被馴化后在不同人群的傳播所致，代表不同古人群在應(yīng)用和馴化發(fā)酵微生物過(guò)程中發(fā)生了不同路線(xiàn)的遷徙與交流。

古人群通過(guò)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(lèi)活動(dòng)、技術(shù)文化的變遷，以及通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間與人類(lèi)體內(nèi)其他腸道微生物群落的相互作用，共生微生物的基因組發(fā)生了相應(yīng)的演變，開(kāi)菲爾乳酸菌的演化亦是如此。通過(guò)對(duì)青銅時(shí)代和現(xiàn)代開(kāi)菲爾乳酸菌基因組的比較分析，科研人員探究了過(guò)去數(shù)千年里開(kāi)菲爾乳酸菌的適應(yīng)性演化特點(diǎn)，揭示了古人群與該共生微生物的協(xié)同演化歷史。

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。研究通過(guò)比較新疆3,500年前的開(kāi)菲爾乳酸菌和現(xiàn)代開(kāi)菲爾乳酸菌菌株的功能性基因，發(fā)現(xiàn)開(kāi)菲爾乳酸菌的演化主要體現(xiàn)在如下三個(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(kāi)菲爾乳酸菌，現(xiàn)代開(kāi)菲爾乳酸菌菌株出現(xiàn)了可能參與耐藥機(jī)制的基因簇。二是細(xì)菌基因組防御機(jī)制的增強(qiáng)?，F(xiàn)代開(kāi)菲爾乳酸菌出現(xiàn)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，而這些基因簇能夠?qū)雇庠碊NA入侵，從而維持基因組的穩(wěn)定性。三是對(duì)人類(lèi)腸道環(huán)境的適應(yīng)?，F(xiàn)代開(kāi)菲爾乳酸菌菌株出現(xiàn)了與細(xì)胞壁表面結(jié)構(gòu)及潛在的與宿主發(fā)生相互作用的基因簇，而這些基因簇的出現(xiàn)可能與其自身和人類(lèi)的長(zhǎng)期互動(dòng)有關(guān)。

研究發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用和馴化可能影響了開(kāi)菲爾乳酸菌的演化。相比于新疆地區(qū)青銅時(shí)代的開(kāi)菲爾乳酸菌，西藏地區(qū)的現(xiàn)代開(kāi)菲爾乳酸菌菌株出現(xiàn)了兩個(gè)與減輕腸道炎癥反應(yīng)相關(guān)的水平轉(zhuǎn)移的基因簇。這些基因簇利于乳桿菌在人類(lèi)腸道中生存并能夠促進(jìn)腸道功能。考慮到開(kāi)菲爾酸奶的制作是通過(guò)開(kāi)菲爾粒進(jìn)行，而古人群在貿(mào)易交流中能夠很方便地交易開(kāi)菲爾粒，那么這些基因簇的出現(xiàn)可能與當(dāng)時(shí)人群對(duì)攜帶不同支系開(kāi)菲爾乳酸菌的開(kāi)菲爾粒的偏好有關(guān)。由此來(lái)看，開(kāi)菲爾乳酸菌這樣長(zhǎng)時(shí)間被人類(lèi)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(lèi)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)微生物偏好性馴化的結(jié)果。

微生物與人類(lèi)的相互作用貫穿了人類(lèi)數(shù)百萬(wàn)年的演化歷史。數(shù)以?xún)|計(jì)的微生物與人類(lèi)共生，參與人類(lèi)體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)的合成與毒素的分解，在人類(lèi)健康及其與環(huán)境的高度互動(dòng)中扮演了重要角色。該研究以與人類(lèi)活動(dòng)和生業(yè)模式相關(guān)的共生微生物為突破口，利用古分子證據(jù)揭開(kāi)了過(guò)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)制層面闡釋了相關(guān)菌株的引入、傳播和演變歷程，為探索相關(guān)人群技術(shù)文化的交流和發(fā)展以及與環(huán)境高度動(dòng)態(tài)的相互作用提供了全新思路和獨(dú)特維度。

國(guó)際上相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家評(píng)價(jià)道，“這是領(lǐng)域里罕見(jiàn)的挖掘全新數(shù)據(jù)的古DNA研究”，“這一首例來(lái)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(lái)了新認(rèn)識(shí)”。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接

開(kāi)菲爾乳酸菌的傳播路線(xiàn)和演化歷史

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

古代開(kāi)菲爾乳酸菌和現(xiàn)代開(kāi)菲爾乳酸菌的功能性基因分布和水平基因轉(zhuǎn)移