古DNA技术在植物考古中的应用

植物考古(palaeoethnobotany或archaeobotany)通过出土植物遗存研究古人如何管理、利用植物，揭示人与植物间互相影响、共同演化的动态关系。植物考古的研究对象包括以种子、叶片、根茎为代表的大植物遗存和以孢粉、淀粉粒、植硅体为代表的微体植物遗存。鉴定古代植物遗存的物种是推测生业活动中、遗址周边环境中植被的构成等考古学问题的基础，目前最普遍的方法是借助体视显微镜和扫描电镜等设备将古代植物与现代植物样本进行形态对比。但是，这种方法通常只能鉴定到植物的科或属层面，对于保存状况不佳或形态外观相近的物种鉴定的精准度较低，部分已灭绝的物种由于可供对比的现代植物标本缺失更是令植物考古学家们束手无策^[1,2]。传统植物考古鉴定、研究方法的不足给认识古植物遗存带来了诸多限制，但随着DNA技术的发展，将前沿的高通量测序与传统形态学结合，不仅使精准的物种鉴定成为可能，在大数据和生物信息分析的加持下，考古学家更可以追溯植物驯化历史，这些研究成果对现代农业育种有广泛的应用价值。

古DNA技术在考古学中的应用是指从古代生物样遗存获取基因序列，利用群体遗传学和生物信息等手段对数据进行分析处理，并结合考古文化背景对数据进行阐释。

第一代测序技术的局限

自1970年代末DNA测序技术问世到21世纪初，第一代测序技术占据了生物学和考古学领域相关研究的主流，该技术利用PCR(聚合酶链式反应)技术即对提取的基因片段进行扩增，并针对被扩增片段设计特异性引物和对应的反应程序，最后进行测序，并与已知物种的数据库进行比对。目前已发表的研究中多数研究对象是人和动物，虽然生物学家和考古学家对植物遗存的探索从未停止，但第一代测序技术在植物遗存的应用方面存在以下问题。

● 古植物的基因片段短且高度破碎，尤其是考古遗址中最常见的炭化植物遗存，传统PCR难以对这种极短基因片段进行有效扩增^[1,3]。

● 第一代测序技术一次仅能针对单条基因序列，获取的遗传信息效率较低，得到的信息有限，对于小麦等基因组较长的植物难以完整利用所得的遗传信息。

● 第一代测序技术需要对被研究样品有针对性地设计引物和反应程序，这要求研究者对该物种有充分的了解，然而目前研究人员对大量古代植物基因构成了解不够深入，故此前研究一直难以开展。

不过，随着PCR的灵敏度和精度不断提高，近年来国外针对考古出土的麦类、水稻、高粱、玉米、棉花等作物的研究不断涌现。我国作为世界农业重要起源地之一也不遑多让，其中具代表性的是2010年吉林大学李春香博士对4000多年前新疆小河墓地的小麦和粟黍进行测序研究，结果表明，这里出土的小麦为六倍体面包小麦，很可能来自近东地区;出土的粟黍则与东亚来源的粟黍存在遗传关系。两条证据链的结合，呈现出古代西域作为东西方物种流通、饮食文化交流之地的缩影。

高通量测序技术的应用前景

高通量测序，又称下一代测序(next generation sequencing)、第二代测序，它的发明弥补了第一代测序技术的诸多不足。高通量测序技术整合使用全基因组打断建库和桥式PCR反应等技术，无须设计引物即可以同时处理数以万计的基因片段，使测序的时间和经济成本大大降低。针对高度破碎降解的植物遗存可以根据研究内容针对性“捕获”特定基因片段并进行富集，打破了此前对古植物遗存中基因含量和片段长度的限制。

利用高通量测序技术不但可精确鉴定古植物物种，还可以进一步复原由于人类栽培筛选而改变的遗传基因，复原古代植被的基因多样性，为回答植物考古关心的农业起源等重大议题开辟新的途径，也对气候变化下的21世纪发展可持续现代农业和保障粮食安全提供指引。

第一代测序中的PCR(a)、高通量测序(b)和高通量测序针对特定基因片段捕获、富集(c)流程示意图^[3]

植物遗存高通量测序的流程^[4]  傅里叶变换红外光谱仪（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR），用于快速识别样品污染和缺陷。

物种鉴定

因为不同物种基因的独特性，植物考古中遇到形态相近的物种或由于保存状况不佳可用于鉴定的形态特征部位缺失的样品都有望得到更精确的鉴定。例如，长久以来困扰植物考古学家的硬质小麦(Triticum turgidum ssp. durum)和面包小麦(Triticum aestivum)，这两种小麦在没有麸皮的情况下仅凭种子外观形态难以区分。由于麸皮细小易碎难保存，考古出土的小麦通常是炭化的种子形态，使鉴定更具难度。基因测序技术从硬质小麦是四倍体(AABB)、面包小麦是六倍体(AABBDD)这一区分入手，将两者间不同的D基因确定为区分不同小麦品种的关键^[5]。

利用DNA技术进行植物物种鉴定不局限于植物遗存本身，从古代人制造使用的物品或自然沉积物中也可以提取残存的植物DNA。2023年，英国牛津大学的生物学家和丹麦国家博物馆的考古研究人员合作，从距今约2900年的美索不达米亚楔形文字泥板中成功提取出封存的植物DNA。这块古老的泥板来自底格里斯河畔的Kalhu古城，泥板的原料取自河流沉积的淤泥，它如同时空胶囊一般保存了多达34种曾出现在古城居民生活中的植物，分属于伞形科、桦木科、十字花科、杜鹃花科、禾本科、壳斗科和杨柳科七个科。其中一些可能来自具有食用和药用价值的大麦、黑麦、胡萝卜、芹菜等植物，还有些可能来自栎树、柳树、橡树等古城周边的野生植被^[6]。泥板中提取的DNA浓度和内源性都较低，得益于高通量测序技术我们可以管中窥豹地瞥见数千年前美索不达米亚城市生活的一隅。

从美索不达米亚泥板的新鲜断面提取植物DNA，
以减少现代外源性植物DNA的污染^[6]

农业起源

在农业起源与发展的漫长过程中，人类根据偏好筛选作物的种子尺寸、落粒性、植株高度等性状，并在数千年的种植管理中逐渐改变了作物基因组中控制这些性状的位点。因此，揭秘古农作物完整基因图谱，寻找其中与驯化栽培相关的关键位点，可以揭示农业发展的演进过程^[4,7]。高通量测序技术率先被应用在与人类关系密切的集中栽培作物中，现有较完整的基因组数据的包括大麦、小麦、水稻、棉花、玉米、大豆、甜菜、土豆、高粱、葡萄等，还有海量植物的基因图谱亟待探索。

物种多样性与可持续农业

在通过基因反向追溯作物驯化历程中，考古学家发现了一些与农作物亲缘关系相近的野生种和在现代农业中已被遗忘以及未被充分利用的栽培品种，它们被形象地称为“孤儿作物”(orphan crops)。现代农业高度依赖有限的作物品种，而利用野生种和“孤儿作物”的基因对丰富作物基因库，进而提高农业对气候变化的应对能力以及保障种子安全、粮食安全有重大的现实意义^[7]。

以葡萄为例，葡萄作为一种食用鲜果和酿酒的重要原料，有6000余年的栽培历史，时至今日依然是重要的经济作物。虽然世界上葡萄属植物种类繁多，但根据联合国粮农组织数据显示，目前少数几种欧洲起源的葡萄品种占据了全球大多数的葡萄生产种植面积，气温和降水量的轻微变化就可能对葡萄种植业产生破坏性的影响[8]。考古学家把目光投向葡萄栽培的可能起源地之一和葡萄酒贸易延续千年的环地中海地区，在对以色列Negev高原沙漠环境中出土的公元9世纪前后的葡萄籽进行研究后发现，这种葡萄耐旱，能适应复杂的沙漠环境，相关的基因能帮助改善现代葡萄品种。该地区出土的葡萄遗存基因多样性很高，由此推断千年前的葡萄园内很可能种植多个葡萄品种，通过不同品种的杂交以保障产量、调控果实的收获时间^[9]。

DNA测序技术为植物考古学家提供了新的研究手段和宝贵信息，尤其是高通量测序技术，发展前景广阔，但实际应用中也面临植物基因本身特性和考古出土保存状态的诸多挑战。

植物DNA特性的挑战

首先，植物DNA易降解，相同保存状态下降解速度比古代人类DNA和动物DNA更快、片段更短，故提取、测序难度更大。其次，部分植物基因组总长度大，比如面包小麦，基因组长度是人类基因组的数倍，利用植物考古样品复原古代物种基因图谱难度大。最后，许多植物组织中存在多糖和多酚物质，这些物质会阻碍DNA的提取效果，故需要按物种具体分析设计实验，在前期处理过程中就要将其去除。

考古发掘的挑战

在世界大多数地区，考古出土的植物遗存以炭化为主，炭化过程中的高温对本就脆弱的植物DNA有很强的破坏性，即使采用前沿的高通量测序技术和针对性捕获扩增技术，实验的成功率依然较低。植物遗存在考古发掘、后期整理和实验室形态鉴定过程中难免暴露在外源性DNA的污染中，这就要求研究人员在样品采集阶段同时采集对照组排除来自周边环境的干扰因素，同时对提取基因损伤模式判断所得数据来源。

DNA技术经过数十年更新迭代，目前通量大、速度快的高通量测序技术已成为世界基因研究领域的主流技术。这一技术的优势和应用潜力也愈加被考古学者们所重视，随着技术进步，测序成本逐步降低，有望在不久的将来能成为植物考古研究的常规研究手段之一。

DNA技术在植物考古领域的应用机遇与挑战并存，国内外相关研究仍处于起步阶段，实现植物考古中基因研究结果的应用仍有很长的路要走，研究向纵深发展需要借助考古学、生物学、信息技术等多学科融合发展，期待未来有更多专家学者投入植物考古与基因研究的交叉研究领域。