古DNA技術在植物考古中的應用

植物考古（palaeoethnobotany或archaeobotany）通過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、共同演化的動態關系。植物考古的研究對象包括以種子、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生業活動中、遺址周邊環境中植被的構成等考古學問題的基礎，目前最普遍的方法是借助體視顯微鏡和掃描電鏡等設備將古代植物與現代植物樣本進行形態對比。但是，這種方法通常只能鑒定到植物的科或屬層面，對于保存狀況不佳或形態外觀相近的物種鑒定的精準度較低，部分已滅絕的物種由于可供對比的現代植物標本缺失更是令植物考古學家們束手無策[1，2]。傳統植物考古鑒定、研究方法的不足給認識古植物遺存帶來了諸多限制，但隨著DNA技術的發展，將前沿的高通量測序與傳統形態學結合，不僅使精準的物種鑒定成為可能，在大數據和生物信息分析的加持下，考古學家更可以追溯植物馴化歷史，這些研究成果對現代農業育種有廣泛的應用價值。

植物考古中DNA技術的演進

古DNA技術在考古學中的應用是指從古代生物樣遺存獲取基因序列，利用群體遺傳學和生物信息等手段對數據進行分析處理，并結合考古文化背景對數據進行闡釋。

第一代測序技術的局限

自1970年代末DNA測序技術問世到21世紀初，第一代測序技術占據了生物學和考古學領域相關研究的主流，該技術利用PCR（聚合酶鏈式反應）技術即對提取的基因片段進行擴增，并針對被擴增片段設計特異性引物和對應的反應程序，最后進行測序，并與已知物種的數據庫進行比對。目前已發表的研究中多數研究對象是人和動物，雖然生物學家和考古學家對植物遺存的探索從未停止，但第一代測序技術在植物遺存的應用方面存在以下問題。

● 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的炭化植物遺存，傳統PCR難以對這種極短基因片段進行有效擴增[1，3]。

● 第一代測序技術一次僅能針對單條基因序列，獲取的遺傳信息效率較低，得到的信息有限，對于小麥等基因組較長的植物難以完整利用所得的遺傳信息。

● 第一代測序技術需要對被研究樣品有針對性地設計引物和反應程序，這要求研究者對該物種有充分的了解，然而目前研究人員對大量古代植物基因構成了解不夠深入，故此前研究一直難以開展。

不過，隨著PCR的靈敏度和精度不斷提高，近年來國外針對考古出土的麥類、水稻、高粱、玉米、棉花等作物的研究不斷涌現。我國作為世界農業重要起源地之一也不遑多讓，其中具代表性的是2010年吉林大學李春香博士對4000多年前新疆小河墓地的小麥和粟黍進行測序研究，結果表明，這里出土的小麥為六倍體面包小麥，很可能來自近東地區；出土的粟黍則與東亞來源的粟黍存在遺傳關系。兩條證據鏈的結合，呈現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。

高通量測序技術的應用前景

高通量測序，又稱下一代測序（next generation sequencing）、第二代測序，它的發明彌補了第一代測序技術的諸多不足。高通量測序技術整合使用全基因組打斷建庫和橋式PCR反應等技術，無須設計引物即可以同時處理數以萬計的基因片段，使測序的時間和經濟成本大大降低。針對高度破碎降解的植物遺存可以根據研究內容針對性“捕獲”特定基因片段并進行富集，打破了此前對古植物遺存中基因含量和片段長度的限制。

利用高通量測序技術不但可精確鑒定古植物物種，還可以進一步復原由于人類栽培篩選而改變的遺傳基因，復原古代植被的基因多樣性，為回答植物考古關心的農業起源等重大議題開辟新的途徑，也對氣候變化下的21世紀發展可持續現代農業和保障糧食安全提供指引。

物種鑒定

因為不同物種基因的獨特性，植物考古中遇到形態相近的物種或由于保存狀況不佳可用于鑒定的形態特征部位缺失的樣品都有望得到更精確的鑒定。例如，長久以來困擾植物考古學家的硬質小麥（Triticum turgidum ssp. durum）和面包小麥（Triticum aestivum），這兩種小麥在沒有麩皮的情況下僅憑種子外觀形態難以區分。由于麩皮細小易碎難保存，考古出土的小麥通常是炭化的種子形態，使鑒定更具難度。基因測序技術從硬質小麥是四倍體（AABB）、面包小麥是六倍體（AABBDD）這一區分入手，將兩者間不同的D基因確定為區分不同小麥品種的關鍵[5]。

利用DNA技術進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，英國牛津大學的生物學家和丹麥國家博物館的考古研究人員合作，從距今約2900年的美索不達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，它如同時空膠囊一般保存了多達34種曾出現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科。其中一些可能來自具有食用和藥用價值的大麥、黑麥、胡蘿卜、芹菜等植物，還有些可能來自櫟樹、柳樹、橡樹等古城周邊的野生植被[6]。泥板中提取的DNA濃度和內源性都較低，得益于高通量測序技術我們可以管中窺豹地瞥見數千年前美索不達米亞城市生活的一隅。

農業起源

在農業起源與發展的漫長過程中，人類根據偏好篩選作物的種子尺寸、落粒性、植株高度等性狀，并在數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。因此，揭秘古農作物完整基因圖譜，尋找其中與馴化栽培相關的關鍵位點，可以揭示農業發展的演進過程[4，7]。高通量測序技術率先被應用在與人類關系密切的集中栽培作物中，現有較完整的基因組數據的包括大麥、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農業

在通過基因反向追溯作物馴化歷程中，考古學家發現了一些與農作物親緣關系相近的野生種和在現代農業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）。現代農業高度依賴有限的作物品種，而利用野生種和“孤兒作物”的基因對豐富作物基因庫，進而提高農業對氣候變化的應對能力以及保障種子安全、糧食安全有重大的現實意義[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，時至今日依然是重要的經濟作物。雖然世界上葡萄屬植物種類繁多，但根據聯合國糧農組織數據顯示，目前少數幾種歐洲起源的葡萄品種占據了全球大多數的葡萄生產種植面積，氣溫和降水量的輕微變化就可能對葡萄種植業產生破壞性的影響[8]。考古學家把目光投向葡萄栽培的可能起源地之一和葡萄酒貿易延續千年的環地中海地區，在對以色列Negev高原沙漠環境中出土的公元9世紀前后的葡萄籽進行研究后發現，這種葡萄耐旱，能適應復雜的沙漠環境，相關的基因能幫助改善現代葡萄品種。該地區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很可能種植多個葡萄品種，通過不同品種的雜交以保障產量、調控果實的收獲時間[9]。

古植物DNA研究面臨的挑戰

R8dFMs9C4VJ7JpFOBbiEkej41Aev5VKFz8BdV4hZUW0=DNA測序技術為植物考古學家提供了新的研究手段和寶貴信息，尤其是高通量測序技術，發展前景廣闊，但實際應用中也面臨植物基因本身特性和考古出土保存狀態的諸多挑戰。

植物DNA特性的挑戰

首先，植物DNA易降解，相同保存狀態下降解速度比古代人類DNA和動物DNA更快、片段更短，故提取、測序難度更大。其次，部分植物基因組總長度大，比如面包小麥，基因組長度是人類基因組的數倍，利用植物考古樣品復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，這些物質會阻礙DNA的提取效果，故需要按物種具體分析設計實驗，在前期處理過程中就要將其去除。

考古發掘的挑戰

在世界大多數地區，考古出土的植物遺存以炭化為主，炭化過程中的高溫對本就脆弱的植物DNA有很強的破壞性，即使采用前沿的高通量測序技術和針對性捕獲擴增技術，實驗的成功率依然較低。植物遺存在考古發掘、后期整理和實驗室形態鑒定過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采集對照組排除來自周邊環境的干擾因素，同時對提取基因損傷模式判斷所得數據來源。

結 語

DNA技術經過數十年更新迭代，目前通量大、速度快的高通量測序技術已成為世界基因研究領域的主流技術。這一技術的優勢和應用潛力也愈加被考古學者們所重視，隨著技術進步，測序成本逐步降低，有望在不久的將來能成為植物考古研究的常規研究手段之一。

DNA技術在植物考古領域的應用機遇與挑戰并存，國內外相關研究仍處于起步階段，實現植物考古中基因研究結果的應用仍有很長的路要走，研究向縱深發展需要借助考古學、生物學、信息技術等多學科融合發展，期待未來有更多專家學者投入植物考古與基因研究的交叉研究領域。

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

[2]趙志軍.植物考古學：方法、理論和實踐.北京：科學出版社， 2010.

[3]Brown T A， Cappellini E， Kistler L， et al. Recent advances in ancient DNA research and their implications for archaeobotany. Veg Hist Archaeobot， 2015， 24（1）： 207-214.

[4]Meiri M， Bar-Oz G. Unraveling the diversity and cultural heritage of fruit crops through paleogenomics. Trends Genet， 2024， 40（5）： 398-409.

[5]Fernández E， Thaw S， Brown T A， et al. DNA analysis in charred grains of naked wheat from several archaeological sites in Spain. J Archaeol Sci， 2013， 40（1）： 659-670.

[6]Arb？ll T P， Rasmussen S L， de Jonge N， et al. Revealing the secrets of a 2900-year-old clay brick， discovering a time capsule of ancient DNA. Sci Rep， 2023， 13（1）： 13092.

[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.

關鍵詞：植物考古 高通量測序 農業起源 ■