食品发酵是人类历史上最古老的利用微生物进行生产实践的行为。不同人群文化对食品发酵有不同的偏好。生业模式的转变、农业发展与发酵技术的演变相关。发酵奶制品可能是最早出现的发酵食品。尽管人类食用发酵奶制品的历史悠久，但目前关于人类历史上发酵微生物的应用和技术交流历史以及发酵微生物本身的演化过程，特别是发酵微生物在长时间驯化条件下功能性基因的演变知之甚少。对此，针对古代发酵奶制品展开系统的古微生物基因组研究，成为探究这些问题的关键手段。9月25日，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹团队、中国科学院大学人文学院教授杨益民以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、北京大学第三医院等的科研人员，在《细胞》（Cell）上在线发表了针对新疆小河墓地出土“最古老奶酪”的系统性古微生物基因组研究成果（Bronze Age cheese reveals human-Lactobacillus interactions over evolutionary history）。这一成果被遴选为《细胞》重点推荐论文，是目前国际首个古代奶制品遗存宏基因组研究。付巧妹团队历经11年探索和研究，自主设计乳酸菌全基因组位点探针，将开菲尔奶酪样品中的乳酸菌DNA从0.43%-0.55%富集提升至64%-80%，使得第一例古代全基因组研究成为可能。该研究从距今约3,500年的3例古老奶酪样本中提取出26x高质量的古代开菲尔中的乳酸菌基因组，发现其形成不同于欧洲菌株的分支，揭示开菲尔乳酸菌的另一独立的、东亚内陆传播路线；通过探讨开菲尔乳酸菌适应性演化历程，厘清新疆塔里木盆地古人群的生活方式、技术文化的交流和发展以及在进化时间尺度上开菲尔乳酸菌与人群协同演化、互利共生的分子机制。新疆小河墓地出土的奶酪样本是迄今发现的最早的奶酪制品，并通过古蛋白质组学被鉴定为开菲尔奶酪。该样本来源于开菲尔酸奶，由开菲尔粒在奶中发酵而成。进一步，研究通过重建该样本发酵微生物群落确证，这一奶酪制品由开菲尔乳酸菌发酵生产，且用于制作开菲尔奶酪的产奶山羊来自新石器时代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的开发可能和这一时期与欧亚草原人群的交流相关。奶制品发酵技术的传播在较大程度上伴随着人类的迁徙和互动。这一过程推动了在发酵作用中发挥重要作用的乳酸菌的演化。该研究通过对新疆古代开菲尔乳酸菌的系统发育关系分析，揭示了开菲尔乳酸菌新的传播路线。研究发现了用于发酵的开菲尔乳酸菌的两个重要支系。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、亚洲和东南亚沿海地区的扩散路线。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这一支系且处在基部位置。这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。开菲尔乳酸菌两个支系的分化可能是其共同祖先最初被驯化后在不同人群的传播所致，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。古人群通过食用发酵奶制品摄入大量发酵微生物，而这些有益的共生微生物伴随着环境压力、人类活动、技术文化的变迁，以及通过长时间与人类体内其他肠道微生物群落的相互作用，共生微生物的基因组发生了相应的演变，开菲尔乳酸菌的演化亦是如此。通过对青铜时代和现代开菲尔乳酸菌基因组的比较分析，科研人员探究了过去数千年里开菲尔乳酸菌的适应性演化特点，揭示了古人群与该共生微生物的协同演化历史。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。研究通过比较新疆3,500年前的开菲尔乳酸菌和现代开菲尔乳酸菌菌株的功能性基因，发现开菲尔乳酸菌的演化主要体现在如下三个方面。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，现代开菲尔乳酸菌菌株出现了可能参与耐药机制的基因簇。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，而这些基因簇能够对抗外源DNA入侵，从而维持基因组的稳定性。三是对人类肠道环境的适应。现代开菲尔乳酸菌菌株出现了与细胞壁表面结构及潜在的与宿主发生相互作用的基因簇，而这些基因簇的出现可能与其自身和人类的长期互动有关。研究发现，人类长时间的应用和驯化可能影响了开菲尔乳酸菌的演化。相比于新疆地区青铜时代的开菲尔乳酸菌，西藏地区的现代开菲尔乳酸菌菌株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。这些基因簇利于乳杆菌在人类肠道中生存并能够促进肠道功能。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地交易开菲尔粒，那么这些基因簇的出现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。由此来看，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偏好性驯化的结果。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。数以亿计的微生物与人类共生，参与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。该研究以与人类活动和生业模式相关的共生微生物为突破口，利用古分子证据揭开了过去人群对微生物的应用驯化和传播交流历史，从分子机制层面阐释了相关菌株的引入、传播和演变历程，为探索相关人群技术文化的交流和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。国际上相关领域的专家评价道，“这是领域里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了新认识”。研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院相关项目等的支持。论文链接开菲尔乳酸菌的传播路线和演化历史新疆小河墓地平面图、出土样本及奶酪样本中的微生物组成古代开菲尔乳酸菌和现代开菲尔乳酸菌的功能性基因分布和水平基因转移