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科研动态 | 饭稻羹鱼:古代“锅巴”的脂质分析和蛋白质组学分析

  • 图文/吕楠宁 审核/杨益民
  • 创建时间: 2023-11-29
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        陶器内壁的炭化物,通常被称为“锅巴”(foodcrust),对其进行深入分析可以为器物功能、烹饪活动、饮食结构和生计方式等方面研究提供关键信息。此外,这种分析方法不需要破坏陶器,对于需要进行无损分析的珍贵陶器来说具有重要意义。目前,表征陶器炭化物最常用的方法是脂质分析和蛋白质组学。脂质分析可以大致判断古代样品的动植物来源,而蛋白质组学可以提供比脂质更精确的种属和组织部位信息。两种方法的结合可以提供更多的生物分子信息,然而在陶器炭化物研究领域,目前很少有结合性研究。

图1 遗址位置及陶器线图

(a)遗址所在的区域。(b)环太湖地区下湾遗址的位置,黑色虚线代表古代海岸线(约6000BP)。(c)本研究中提及出土小米遗存的三处遗址。(d-i)器物复原线图,比例尺为8cm。

        近期,银河6163官方网站考古学与人类学系、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所与南京博物院等单位合作,在首都师范大学历史学院的支持下,利用国科大-中国科学院古脊椎所完备的脂质分析平台(包括气质联用仪、气相色谱-同位素质谱仪等)和蛋白质组学平台,对太湖西岸宜兴下湾遗址(图1b)崧泽文化时期陶器内壁炭化残留物进行了脂质分析和蛋白质组学分析,旨在探究环太湖地区新石器时代晚期先民的生计策略。研究成果以“Characterization of pottery foodcrusts through lipid and proteomic analyses: A case study from the Xiawan site in Yixing city, East China”为题,在线发表于国际科技考古期刊《Journal of Archaeological Science》上;该文章的第一作者为中国科学院大学博士生吕楠宁,其培养单位为中国科学院古脊椎动物与古人类研究所。

图2 陶鼎(XW19)内壁附着炭化物样品示例

        本研究选取了下湾遗址57件内壁带有炭化物的陶片(图2),按照年代分为三组,即崧泽文化早期和中期(5800-5500BP),崧泽文化晚期(5500-5300BP),崧泽文化晚期至良渚文化早期(5300-5200BP)。脂质分析显示大部分炭化物样品的脂质组成包括谷甾醇、豆甾醇和菜油甾醇等植物甾醇,部分样品含有两种维生素E族化合物(γ-生育酚和α-生育酚)和一系列脂肪醇,以及指示淀粉来源的呋喃糖和吡喃糖。通过现代样品验证,我们认为这两种维生素E族化合物和脂肪醇可以作为水稻的生物标记物,进一步完善了水稻的鉴定标准。此外,在不同时期的三个样品中检测到了黍素、香树脂醇等黍的生物标记物(图3),表明崧泽文化时期已有对黍的种植与利用。

图3 样品XW52(TLEs)部分总离子流图

XW52主要脂质,包括呋喃糖和吡喃糖(○),饱和脂肪酸(●),烷烃(■),γ-tocopherol(γ-生育酚),α-tocopherol(α-生育酚),miliacin(黍素),β-sitosterol(谷甾醇),两个内标(IS1和IS2)。

        脂质组成显示,大多数样品的脂质成分分布与典型的降解动物油脂相符。此外,许多样品中检测到水产品生物标记物,如邻烷基苯基酸(APAAs),以及TMTD和植烷酸等异戊二烯酸(图4)。进一步结合脂肪酸单体碳同位素分析(图5),初步推断这些样品来源于淡水产品和海产品油脂,以及少量非反刍和反刍动物体脂。

图4 样品XW25(AEs)部分总离子流图

(a)XW25主要脂质,包括二元羧酸(■),呋喃糖和吡喃糖(○),饱和脂肪酸(●,br表示支链),4,8,12-三甲基十三烷酸(TMTD),3,7,11,15-四甲基十六烷酸(植烷酸,Phy),内标(IS),蓝色区域为邻烷基苯基酸(APAAs)分布范围。(b)蓝色区域放大图即邻烷基苯基酸的提取离子色谱图,提取离子分别为APAAs的基峰m/z 105,C16APAAs母离子m/z 262,C18APAAs母离子m/z 290和C20APAAs母离子m/z 318,括号内数字表示放大倍数。

图5 脂肪酸单体碳同位素值散点图

(a)崧泽文化早期和中期,(b)崧泽文化晚期,(c)崧泽文化晚期至良渚文化早期。置信椭圆由上至下分别代表海产品脂肪、非反刍动物体脂、淡水产品脂肪和野生反刍动物体脂,数据来源于现代动物(Lucquin等人,2016)。蓝色实心圆点表示该样品不含C20APAAs,红色实心圆点表示该样品含C20APAAs,实心五角星表示该样品含TMTD。

        本研究首次通过陶器残留物的蛋白质组学分析,为长江下游地区先民的生业经济研究提供了蛋白质层面的证据,并精确定位到了种属和组织部位。结果显示,三个炭化物样品中检测到了六种特异性蛋白,包括大黄鱼和鳜鱼的肌肉蛋白,以及野生羊亚科和某种奇蹄目等哺乳动物的胶原蛋白(图6)。此次大黄鱼的发现为崧泽文化时期遗址中首次发现海鱼遗存,揭示了先民对海产品的消费。

图6 两条特异性肽段的MS/MS谱图

(a)XW21中来自大黄鱼(large yellow croaker)的肽段序列LLTENGEFTR。(b)XW23中来自羊亚科(Caprinae)的肽段序列PVGAVGPAGAVGPR。

        脂质分析和蛋白质组学的研究结果表明,两者之间存在高度的互补性。蛋白质组学可以鉴定出复杂有机残留物中含量较低的成分,并提供更多细节信息。然而,就炭化物而言,古蛋白质的检出率较低,且蛋白质组学分析成本较高,因此需要开发一种适合的预筛选方法来评估炭化物中蛋白质保存情况,以指导进一步的蛋白质组学分析。在脂质分析中,许多未检出古蛋白质的炭化物样品中都检测到了油脂高温加热的产物——长链酮,该类分子有可能作为蛋白质组学分析前的预筛指标。

        本研究首次采用脂质和蛋白质组分析相结合的方法来研究炭化物,揭示了公元前四千纪长江下游环太湖地区先民的生计方式。通过分析炭化物中的脂质,发现其主要来源于淡水产品、陆生非反刍动物、海产品和反刍动物,其中淡水产品是主要的肉类来源。此外,植物脂质主要来源于水稻和小米等淀粉类植物。结合蛋白质组分析结果和其他考古证据,可以推断下湾先民的生计方式主要包括捕鱼、可能饲养家猪、狩猎野生反刍动物,以及种植水稻和黍,先民过着“饭稻羹鱼”的生活。研究还表明,鼎和甑等陶器被用来烹饪多种动植物食材,其用途不具有专门性。

        公元前四千纪的环太湖地区被认为是稻作农业区,黍生物标记物的发现证实崧泽文化时期的先民已经开始了对黍的种植与利用。结合双墩遗址和上山遗址曾出土粟黍遗存推测,环太湖地区可能位于小米南传的路径上(图1c),且种植年代应早于5800BP,这一发现为新石器时代粟作农业的南传提供了新证据。