古DNA技術(shù)在植物考古中的應(yīng)用

植物考古（palaeoethnobotany或archaeobotany）通過(guò)出土植物遺存研究古人如何管理、利用植物，揭示人與植物間互相影響、共同演化的動(dòng)態(tài)關(guān)系。植物考古的研究對(duì)象包括以種子、葉片、根莖為代表的大植物遺存和以孢粉、淀粉粒、植硅體為代表的微體植物遺存。鑒定古代植物遺存的物種是推測(cè)生業(yè)活動(dòng)中、遺址周邊環(huán)境中植被的構(gòu)成等考古學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)，目前最普遍的方法是借助體視顯微鏡和掃描電鏡等設(shè)備將古代植物與現(xiàn)代植物樣本進(jìn)行形態(tài)對(duì)比。但是，這種方法通常只能鑒定到植物的科或?qū)賹用妫瑢?duì)于保存狀況不佳或形態(tài)外觀相近的物種鑒定的精準(zhǔn)度較低，部分已滅絕的物種由于可供對(duì)比的現(xiàn)代植物標(biāo)本缺失更是令植物考古學(xué)家們束手無(wú)策[1，2]。傳統(tǒng)植物考古鑒定、研究方法的不足給認(rèn)識(shí)古植物遺存帶來(lái)了諸多限制，但隨著DNA技術(shù)的發(fā)展，將前沿的高通量測(cè)序與傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)結(jié)合，不僅使精準(zhǔn)的物種鑒定成為可能，在大數(shù)據(jù)和生物信息分析的加持下，考古學(xué)家更可以追溯植物馴化歷史，這些研究成果對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)育種有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

植物考古中DNA技術(shù)的演進(jìn)

古DNA技術(shù)在考古學(xué)中的應(yīng)用是指從古代生物樣遺存獲取基因序列，利用群體遺傳學(xué)和生物信息等手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并結(jié)合考古文化背景對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行闡釋。

第一代測(cè)序技術(shù)的局限

自1970年代末DNA測(cè)序技術(shù)問(wèn)世到21世紀(jì)初，第一代測(cè)序技術(shù)占據(jù)了生物學(xué)和考古學(xué)領(lǐng)域相關(guān)研究的主流，該技術(shù)利用PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）技術(shù)即對(duì)提取的基因片段進(jìn)行擴(kuò)增，并針對(duì)被擴(kuò)增片段設(shè)計(jì)特異性引物和對(duì)應(yīng)的反應(yīng)程序，最后進(jìn)行測(cè)序，并與已知物種的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。目前已發(fā)表的研究中多數(shù)研究對(duì)象是人和動(dòng)物，雖然生物學(xué)家和考古學(xué)家對(duì)植物遺存的探索從未停止，但第一代測(cè)序技術(shù)在植物遺存的應(yīng)用方面存在以下問(wèn)題。

● 古植物的基因片段短且高度破碎，尤其是考古遺址中最常見(jiàn)的炭化植物遺存，傳統(tǒng)PCR難以對(duì)這種極短基因片段進(jìn)行有效擴(kuò)增[1，3]。

● 第一代測(cè)序技術(shù)一次僅能針對(duì)單條基因序列，獲取的遺傳信息效率較低，得到的信息有限，對(duì)于小麥等基因組較長(zhǎng)的植物難以完整利用所得的遺傳信息。

● 第一代測(cè)序技術(shù)需要對(duì)被研究樣品有針對(duì)性地設(shè)計(jì)引物和反應(yīng)程序，這要求研究者對(duì)該物種有充分的了解，然而目前研究人員對(duì)大量古代植物基因構(gòu)成了解不夠深入，故此前研究一直難以開展。

不過(guò)，隨著PCR的靈敏度和精度不斷提高，近年來(lái)國(guó)外針對(duì)考古出土的麥類、水稻、高粱、玉米、棉花等作物的研究不斷涌現(xiàn)。我國(guó)作為世界農(nóng)業(yè)重要起源地之一也不遑多讓，其中具代表性的是2010年吉林大學(xué)李春香博士對(duì)4000多年前新疆小河墓地的小麥和粟黍進(jìn)行測(cè)序研究，結(jié)果表明，這里出土的小麥為六倍體面包小麥，很可能來(lái)自近東地區(qū)；出土的粟黍則與東亞來(lái)源的粟黍存在遺傳關(guān)系。兩條證據(jù)鏈的結(jié)合，呈現(xiàn)出古代西域作為東西方物種流通、飲食文化交流之地的縮影。

高通量測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用前景

高通量測(cè)序，又稱下一代測(cè)序（next generation sequencing）、第二代測(cè)序，它的發(fā)明彌補(bǔ)了第一代測(cè)序技術(shù)的諸多不足。高通量測(cè)序技術(shù)整合使用全基因組打斷建庫(kù)和橋式PCR反應(yīng)等技術(shù)，無(wú)須設(shè)計(jì)引物即可以同時(shí)處理數(shù)以萬(wàn)計(jì)的基因片段，使測(cè)序的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本大大降低。針對(duì)高度破碎降解的植物遺存可以根據(jù)研究?jī)?nèi)容針對(duì)性“捕獲”特定基因片段并進(jìn)行富集，打破了此前對(duì)古植物遺存中基因含量和片段長(zhǎng)度的限制。

利用高通量測(cè)序技術(shù)不但可精確鑒定古植物物種，還可以進(jìn)一步復(fù)原由于人類栽培篩選而改變的遺傳基因，復(fù)原古代植被的基因多樣性，為回答植物考古關(guān)心的農(nóng)業(yè)起源等重大議題開辟新的途徑，也對(duì)氣候變化下的21世紀(jì)發(fā)展可持續(xù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和保障糧食安全提供指引。

物種鑒定

因?yàn)椴煌锓N基因的獨(dú)特性，植物考古中遇到形態(tài)相近的物種或由于保存狀況不佳可用于鑒定的形態(tài)特征部位缺失的樣品都有望得到更精確的鑒定。例如，長(zhǎng)久以來(lái)困擾植物考古學(xué)家的硬質(zhì)小麥（Triticum turgidum ssp. durum）和面包小麥（Triticum aestivum），這兩種小麥在沒(méi)有麩皮的情況下僅憑種子外觀形態(tài)難以區(qū)分。由于麩皮細(xì)小易碎難保存，考古出土的小麥通常是炭化的種子形態(tài)，使鑒定更具難度?；驕y(cè)序技術(shù)從硬質(zhì)小麥?zhǔn)撬谋扼w（AABB）、面包小麥?zhǔn)橇扼w（AABBDD）這一區(qū)分入手，將兩者間不同的D基因確定為區(qū)分不同小麥品種的關(guān)鍵[5]。

利用DNA技術(shù)進(jìn)行植物物種鑒定不局限于植物遺存本身，從古代人制造使用的物品或自然沉積物中也可以提取殘存的植物DNA。2023年，英國(guó)牛津大學(xué)的生物學(xué)家和丹麥國(guó)家博物館的考古研究人員合作，從距今約2900年的美索不達(dá)米亞楔形文字泥板中成功提取出封存的植物DNA。這塊古老的泥板來(lái)自底格里斯河畔的Kalhu古城，泥板的原料取自河流沉積的淤泥，它如同時(shí)空膠囊一般保存了多達(dá)34種曾出現(xiàn)在古城居民生活中的植物，分屬于傘形科、樺木科、十字花科、杜鵑花科、禾本科、殼斗科和楊柳科七個(gè)科。其中一些可能來(lái)自具有食用和藥用價(jià)值的大麥、黑麥、胡蘿卜、芹菜等植物，還有些可能來(lái)自櫟樹、柳樹、橡樹等古城周邊的野生植被[6]。泥板中提取的DNA濃度和內(nèi)源性都較低，得益于高通量測(cè)序技術(shù)我們可以管中窺豹地瞥見(jiàn)數(shù)千年前美索不達(dá)米亞城市生活的一隅。

農(nóng)業(yè)起源

在農(nóng)業(yè)起源與發(fā)展的漫長(zhǎng)過(guò)程中，人類根據(jù)偏好篩選作物的種子尺寸、落粒性、植株高度等性狀，并在數(shù)千年的種植管理中逐漸改變了作物基因組中控制這些性狀的位點(diǎn)。因此，揭秘古農(nóng)作物完整基因圖譜，尋找其中與馴化栽培相關(guān)的關(guān)鍵位點(diǎn)，可以揭示農(nóng)業(yè)發(fā)展的演進(jìn)過(guò)程[4，7]。高通量測(cè)序技術(shù)率先被應(yīng)用在與人類關(guān)系密切的集中栽培作物中，現(xiàn)有較完整的基因組數(shù)據(jù)的包括大麥、小麥、水稻、棉花、玉米、大豆、甜菜、土豆、高粱、葡萄等，還有海量植物的基因圖譜亟待探索。

物種多樣性與可持續(xù)農(nóng)業(yè)

在通過(guò)基因反向追溯作物馴化歷程中，考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些與農(nóng)作物親緣關(guān)系相近的野生種和在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中已被遺忘以及未被充分利用的栽培品種，它們被形象地稱為“孤兒作物”（orphan crops）?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)高度依賴有限的作物品種，而利用野生種和“孤兒作物”的基因?qū)ωS富作物基因庫(kù)，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)對(duì)氣候變化的應(yīng)對(duì)能力以及保障種子安全、糧食安全有重大的現(xiàn)實(shí)意義[7]。

以葡萄為例，葡萄作為一種食用鮮果和釀酒的重要原料，有6000余年的栽培歷史，時(shí)至今日依然是重要的經(jīng)濟(jì)作物。雖然世界上葡萄屬植物種類繁多，但根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)顯示，目前少數(shù)幾種歐洲起源的葡萄品種占據(jù)了全球大多數(shù)的葡萄生產(chǎn)種植面積，氣溫和降水量的輕微變化就可能對(duì)葡萄種植業(yè)產(chǎn)生破壞性的影響[8]?？脊艑W(xué)家把目光投向葡萄栽培的可能起源地之一和葡萄酒貿(mào)易延續(xù)千年的環(huán)地中海地區(qū)，在對(duì)以色列Negev高原沙漠環(huán)境中出土的公元9世紀(jì)前后的葡萄籽進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，這種葡萄耐旱，能適應(yīng)復(fù)雜的沙漠環(huán)境，相關(guān)的基因能幫助改善現(xiàn)代葡萄品種。該地區(qū)出土的葡萄遺存基因多樣性很高，由此推斷千年前的葡萄園內(nèi)很可能種植多個(gè)葡萄品種，通過(guò)不同品種的雜交以保障產(chǎn)量、調(diào)控果實(shí)的收獲時(shí)間[9]。

古植物DNA研究面臨的挑戰(zhàn)

R8dFMs9C4VJ7JpFOBbiEkej41Aev5VKFz8BdV4hZUW0=DNA測(cè)序技術(shù)為植物考古學(xué)家提供了新的研究手段和寶貴信息，尤其是高通量測(cè)序技術(shù)，發(fā)展前景廣闊，但實(shí)際應(yīng)用中也面臨植物基因本身特性和考古出土保存狀態(tài)的諸多挑戰(zhàn)。

植物DNA特性的挑戰(zhàn)

首先，植物DNA易降解，相同保存狀態(tài)下降解速度比古代人類DNA和動(dòng)物DNA更快、片段更短，故提取、測(cè)序難度更大。其次，部分植物基因組總長(zhǎng)度大，比如面包小麥，基因組長(zhǎng)度是人類基因組的數(shù)倍，利用植物考古樣品復(fù)原古代物種基因圖譜難度大。最后，許多植物組織中存在多糖和多酚物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)阻礙DNA的提取效果，故需要按物種具體分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在前期處理過(guò)程中就要將其去除。

考古發(fā)掘的挑戰(zhàn)

在世界大多數(shù)地區(qū)，考古出土的植物遺存以炭化為主，炭化過(guò)程中的高溫對(duì)本就脆弱的植物DNA有很強(qiáng)的破壞性，即使采用前沿的高通量測(cè)序技術(shù)和針對(duì)性捕獲擴(kuò)增技術(shù)，實(shí)驗(yàn)的成功率依然較低。植物遺存在考古發(fā)掘、后期整理和實(shí)驗(yàn)室形態(tài)鑒定過(guò)程中難免暴露在外源性DNA的污染中，這就要求研究人員在樣品采集階段同時(shí)采集對(duì)照組排除來(lái)自周邊環(huán)境的干擾因素，同時(shí)對(duì)提取基因損傷模式判斷所得數(shù)據(jù)來(lái)源。

結(jié) 語(yǔ)

DNA技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年更新迭代，目前通量大、速度快的高通量測(cè)序技術(shù)已成為世界基因研究領(lǐng)域的主流技術(shù)。這一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力也愈加被考古學(xué)者們所重視，隨著技術(shù)進(jìn)步，測(cè)序成本逐步降低，有望在不久的將來(lái)能成為植物考古研究的常規(guī)研究手段之一。

DNA技術(shù)在植物考古領(lǐng)域的應(yīng)用機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究仍處于起步階段，實(shí)現(xiàn)植物考古中基因研究結(jié)果的應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路要走，研究向縱深發(fā)展需要借助考古學(xué)、生物學(xué)、信息技術(shù)等多學(xué)科融合發(fā)展，期待未來(lái)有更多專家學(xué)者投入植物考古與基因研究的交叉研究領(lǐng)域。

[1]牛幗豪，曹艷朋，韋蒙，等.基于基因組高通量測(cè)序方法精準(zhǔn)鑒定植物遺存——河南崔寨遺址案例.第四紀(jì)研究， 2021， 41（5）： 1503-1512.

[2]趙志軍.植物考古學(xué)：方法、理論和實(shí)踐.北京：科學(xué)出版社， 2010.

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[7]Fuks D， Schmidt F， García-Collado M I， et al. Orphan crops of archaeology-based crop history research. PLANTS， PEOPLE， PLANET， 2024.

[8]FAO. Grape： Land&Water. 2024. https：//www.fao.org/land-water/ databases-and-software/crop-information/grape/en/.

[9]Cohen P， Bacilieri R， Ramos-Madrigal J， et al. Ancient DNA from a lost Negev Highlands desert grape reveals a Late Antiquity wine lineage. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2023， 120（17） e2213563120.

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