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發(fā)布時(shí)間：2024.04.01
作者：華大智造
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3月28日，復(fù)旦大學(xué)科技考古研究院文少卿團(tuán)隊(duì)、生命科學(xué)學(xué)院金力團(tuán)隊(duì)聯(lián)合廈門(mén)大學(xué)王傳超團(tuán)隊(duì)及陜西省考古研究院在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Current Biology上以“Ancient Genome of the Chinese Emperor Wu of Northern Zhou” 為題發(fā)表研究論文。
圖1：該研究在Current Biology網(wǎng)站發(fā)布截圖
該研究以北周武帝（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“武帝”）遺骸中提取的古DNA為樣本，基于探針捕獲方案進(jìn)行建庫(kù)，運(yùn)用華大智造DNBSEQ-G99等測(cè)序平臺(tái)成功獲取了武帝的低深度全基因組信息以及該基因組中的眾多SNP位點(diǎn)信息，結(jié)合歷史學(xué)、考古學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，以及顱面復(fù)原技術(shù)，為揭示武帝面部特征、生前罹患疾病可能情況、族源分析提供了有力證據(jù)，并最終實(shí)現(xiàn)武帝容貌的復(fù)原。
“一代雄主”北周武帝長(zhǎng)啥樣？“一代雄主”北周武帝長(zhǎng)什么樣？此前，人們只能根據(jù)著名畫(huà)家閻立本的《歷代帝王圖》（圖2E）進(jìn)行合理想象。如今，隨著科技的進(jìn)步，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃結(jié)合古基因組學(xué)與顱面復(fù)原技術(shù)對(duì)北周武帝面貌進(jìn)行復(fù)原，揭開(kāi)歷史謎題。
圖2：武帝面部三維重建以及面部特征預(yù)測(cè)
2015年4月，研究團(tuán)隊(duì)正式前往西安對(duì)武帝及阿史那皇后遺骨進(jìn)行采樣?？紤]到保護(hù)武帝顱骨的完整性，在采樣時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)沒(méi)有選取DNA保存最好的顳骨和牙齒部分，而是選擇了肢骨斷片。
多年來(lái)，在考古工作人員中口口相傳著一句話(huà)——“大墓不見(jiàn)人骨”，由于大型墓地中氧氣充分，人骨更易腐敗，因此往往保存狀況不佳，能提取到的DNA樣本里，大部分為土壤微生物DNA，人的DNA占比僅為千分之一。在這樣的條件下，想從中獲取DNA，并成功完成后續(xù)測(cè)序和分析是很有挑戰(zhàn)性的。經(jīng)過(guò)6年的反復(fù)嘗試，通過(guò)探針富集技術(shù)與高通量測(cè)序技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成員首次獲取約10萬(wàn)個(gè)可用的基因位點(diǎn)。
圖3：論文核心研究方法截圖（部分）
由于武帝的肢骨DNA樣本的污染率高，其基因組的解密面臨著曲折的路，已獲得的10萬(wàn)個(gè)位點(diǎn)僅可滿(mǎn)足基本的族源分析，對(duì)于推測(cè)武帝的面貌特征和死因而言則力有不逮。經(jīng)過(guò)1年的努力，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)高度降解樣本優(yōu)化出一套全新技術(shù)方案，包含高效獲取短片段的磁珠提取方法、對(duì)短片段友好的單鏈建庫(kù)方法和專(zhuān)門(mén)適用于古DNA的捕獲探針。2023年9月，在新技術(shù)加持下，結(jié)合DNBSEQ-G99在內(nèi)源率和文庫(kù)復(fù)雜度方面的優(yōu)異表現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)終于再次在武帝肢骨樣本上獲取了約100萬(wàn)個(gè)可用的基因位點(diǎn)，較上次提高10倍。這次結(jié)果，使得團(tuán)隊(duì)成功獲取武帝相貌復(fù)原的色素沉積相關(guān)位點(diǎn)和疾病推斷相關(guān)位點(diǎn)，并進(jìn)一步對(duì)武帝族源進(jìn)行更精細(xì)的定量分析。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合顱骨CT掃描技術(shù)，對(duì)武帝進(jìn)行了初步的面貌復(fù)原（圖2A，B），并分析了控制頭發(fā)、皮膚和瞳孔色素相關(guān)的基因位點(diǎn)，對(duì)武帝的面貌進(jìn)行了一次跨越千年的“面部重建”（圖2C）。復(fù)原結(jié)果顯示，北周武帝宇文邕有著黑色頭發(fā)、黃色皮膚和棕色眼睛，符合典型的東北亞、東亞人長(zhǎng)相，與人們想象中鮮卑族相貌具有強(qiáng)烈異域特色——須發(fā)茂盛、發(fā)色偏黃和高鼻深目大不相同（圖2D）。
頭戴帝冕、清瘦英武、不怒自威，這是我國(guó)首次以科技考古方式復(fù)原古代帝王容貌，賦予歷史以鮮活氣息。
“胡漢混血”揭秘鮮卑族群歷史起源
多年來(lái)，鮮卑人的外貌長(zhǎng)相是歷史學(xué)界較具爭(zhēng)議的話(huà)題之一。此外，鮮卑人群的起源之說(shuō)也是歷史學(xué)和人類(lèi)學(xué)領(lǐng)域的重要課題。通過(guò)對(duì)武帝基因組進(jìn)行分析，研究團(tuán)隊(duì)從遺傳學(xué)角度揭示了武帝及其家族的族源，對(duì)理解鮮卑人群的長(zhǎng)相特征與起源提供了重要證據(jù)。
復(fù)旦科技考古團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，武帝宇文邕是胡漢混血兒。通過(guò)遺傳學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，武帝與古代契丹人、黑水靺鞨人以及現(xiàn)代達(dá)斡爾人、蒙古人存在最近的遺傳關(guān)系，并估計(jì)武帝血統(tǒng)有六成源于古代黑龍江流域的東北亞人群，三成源于古代黃河流域的農(nóng)業(yè)人群。武帝家族譜系表明他的祖母王氏可能是北方漢人，所以，武帝約三分之一的古代黃河流域血統(tǒng)極可能是鮮卑與漢族長(zhǎng)期通婚的結(jié)果。因此，推斷武帝的這種遺傳構(gòu)成很可能是由于鮮卑皇室與當(dāng)?shù)貪h族貴族之間長(zhǎng)期通婚所致。
武帝的遺傳起源分析為在漢人的形成過(guò)程中漢族與非漢貴族的通婚融合過(guò)程提供了直接證據(jù)。同時(shí)，不同地理區(qū)域的鮮卑人內(nèi)部也存在一定的遺傳差異，說(shuō)明鮮卑族群的形成也是一個(gè)充滿(mǎn)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，受到與周邊其他人群通婚融合的影響。
圖4（A）武帝的墓穴所在地及其與其他族群的親緣關(guān)系介紹；（B）孝陵平面圖；（C）墓道、墓室文物分布圖；（D）北周武帝墓志銘
這一發(fā)現(xiàn)，為南北朝時(shí)期貴族之間“胡漢融合”找到了直接證據(jù)，對(duì)理解漢民族的形成意義重大。
“千年懸案”終破解——武帝死因之謎
長(zhǎng)期以來(lái)，武帝的死因撲朔迷離，此前主要通行兩種說(shuō)法：其一為死于烈性疾病，其二為死于中毒。借助科技考古手段，團(tuán)隊(duì)對(duì)這個(gè)流傳千余年的懸案進(jìn)行了一場(chǎng)“遲來(lái)”的法醫(yī)鑒定。
在對(duì)武帝的基因組進(jìn)行疾病易感性分析后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)武帝攜帶的6個(gè)疾病相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)基因位點(diǎn)中，其中之一就與中風(fēng)相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)為解開(kāi)武帝死因之謎提供了新的線索。
同時(shí)，對(duì)武帝遺骸股骨樣本中33種微量元素進(jìn)行分析后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，其體內(nèi)砷（As）的含量顯著高于同時(shí)期古代平民和貴族的平均水平?！叭梭w中不同部位骨骼反映了生前不同階段的元素累積過(guò)程，股骨反應(yīng)的是十年以上的代謝過(guò)程，說(shuō)明這些元素是在長(zhǎng)期飲食中累積在骨骼中的?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)介紹。
在武帝生活的魏晉南北朝時(shí)期，服用丹藥是社會(huì)上層所崇尚的精神追求和生活方式，以求滋補(bǔ)長(zhǎng)生。所謂丹藥，其實(shí)是不同晶體形式的無(wú)機(jī)化合物，由多種礦物高溫?zé)铺釤挾桑谥袊?guó)有兩千多年的使用歷史?！侗阕觾?nèi)篇》等典籍均顯示，不同丹藥的成份雖有所差別，但雄黃與礬石是其中代表成份。
結(jié)合武帝遺骸中如砷、銻等重金屬元素偏高和南北朝時(shí)期上流社會(huì)喜食丹藥的生活習(xí)慣，武帝也有可能死于重金屬元素慢性中毒及相關(guān)并發(fā)癥。
關(guān)于北周武帝的考古研究不僅僅是一個(gè)古代皇帝的基因研究，它還揭示印證了古代人群的遷徙、混合和文化交融的歷史。文少卿副教授表示：“從武帝研究出發(fā)，團(tuán)隊(duì)還將不斷升級(jí)技術(shù)方案，繼續(xù)檢測(cè)不同時(shí)序和不同考古文化的古代樣本，持續(xù)梳理匈奴、突厥、鮮卑、吐谷渾、粟特等三到九世紀(jì)北方古族的遺傳譜系，重現(xiàn)唐朝大一統(tǒng)時(shí)代海納百川的盛況，做全東亞人的遺傳譜系樹(shù)，建立現(xiàn)代人與古代人的聯(lián)系，書(shū)寫(xiě)中華民族的‘大家譜。’”
高通量測(cè)序革新古基因組研究
2023年10月3日，備受矚目的2022年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)公布得獎(jiǎng)人是瑞典遺傳學(xué)家Svante P??bo，這被稱(chēng)為迄今為止距離基因組學(xué)及高通量基因測(cè)序最近的諾獎(jiǎng)。P??bo建立了一個(gè)全新的科學(xué)學(xué)科古基因組學(xué)，完成了看似不可能的事情：采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)當(dāng)今人類(lèi)已滅絕的近親——尼安德特人的基因組進(jìn)行測(cè)序。
高通量測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了基因組學(xué)的快速發(fā)展，古基因組學(xué)也因此開(kāi)始成為考古學(xué)、遺傳學(xué)研究中的大熱門(mén)。高通量測(cè)序技術(shù)能克服PCR存在的不足，其理論上能檢測(cè)樣本中所有DNA分子的信息，即使古DNA含量極低，高通量測(cè)序也能很有效地對(duì)其進(jìn)行測(cè)序。不僅如此，通過(guò)搭建生物信息學(xué)分析流程，結(jié)合參考基因組，還能快速檢測(cè)到樣本中是否存在古DNA損傷，從而達(dá)到鑒別古DNA的目的。同樣重要的一點(diǎn)是，隨著技術(shù)的成熟，測(cè)序成本逐年降低，這也使得古基因組研究領(lǐng)域得以發(fā)展壯大。
文少卿副教授作為古基因組學(xué)研究專(zhuān)家，系統(tǒng)性地驗(yàn)證了華大智造DNBSEQ測(cè)序平臺(tái)可完美應(yīng)用于古DNA的高通量測(cè)序研究。2022年，文少卿副教授負(fù)責(zé)的生物考古團(tuán)隊(duì)運(yùn)用MGISEQ-2000測(cè)序平臺(tái)，對(duì)“長(zhǎng)江口二號(hào)”中出水瓷瓶中的稻殼進(jìn)行碳十四測(cè)年和古植物DNA研究，成功總結(jié)出古船的沉積過(guò)程和長(zhǎng)江口水環(huán)境的變遷；同年11月，文少卿副教授研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合廈門(mén)大學(xué)王傳超教授團(tuán)隊(duì)的研究文章--Cultural and demic co-diffusion of Tubo Empire on Tibetan Plateau中，成功獲取了距今1202-1380年的10例古代個(gè)體全基因組序列，揭秘吐蕃源流史，該研究同樣運(yùn)用華大智造MGISEQ-2000基因測(cè)序平臺(tái)完成。
華大智造DNBSEQ測(cè)序平臺(tái)在測(cè)序數(shù)據(jù)質(zhì)量、文庫(kù)復(fù)雜度、基因組覆蓋均一性和種群遺傳分析均表現(xiàn)優(yōu)異，在其他重要關(guān)鍵參數(shù)上媲美古基因組學(xué)研究中常用的高通量測(cè)序平臺(tái)，可作為大多數(shù)古基因組學(xué)研究的潛在選擇。
華大智造始終致力于成為“生命科技核心工具締造者”，華大智造高通量測(cè)序平臺(tái)等生命科技核心設(shè)備將持續(xù)賦能生物考古學(xué)、分子考古學(xué)等古基因組學(xué)研究領(lǐng)域，助力用戶(hù)和合作伙伴產(chǎn)出更多研究成果，為重現(xiàn)人類(lèi)生動(dòng)歷史、呈現(xiàn)群體精彩故事貢獻(xiàn)力量。
小知識(shí)：
北周武帝是誰(shuí)？北周是南北朝時(shí)期由鮮卑人建立的朝代之一，其第三位皇帝北周武帝宇文邕（公元543至578年）在位期間，大舉實(shí)行軍政改革，并統(tǒng)一中國(guó)北方，促進(jìn)民族融合，為隋唐的大一統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。公元578年，親征突厥途中，年僅36歲的北周武帝突發(fā)惡疾、英年早逝，對(duì)后續(xù)歷史進(jìn)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，其族源、外貌長(zhǎng)相及死因一直備受學(xué)術(shù)界和民間愛(ài)好者的關(guān)注。（有知情人透露，很多影視劇里宇文玥的歷史原型就是北周武帝宇文邕，跟蘭陵王高長(zhǎng)恭斗智斗勇的那個(gè)就是他。）
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