沉积植物古DNA技术在古植被重建中的应用

近些年基因测序技术的大量应用为沉积物中植物古DNA的分析提供了技术支撑,将古植被重建的技术发展到了分子层面。国内外相关研究表明,来源于沉积体系中的沉积植物古DNA(Sediment plant ancient DNA,aDNA)可作为古植被重建的有效工具。从技术基础理论、文献计量统计、发展应用及实验操作几个方面对沉积植物aDNA技术进行了全面的介绍。沉积aDNA技术在植物群落分析上是一个新的补充方法,它可以提供更高的分辨率以及更精确的丰度估算,然而在实验体系及数据库方面还需要不断完善成熟,其在未来将成为古植被重建重要的辅助技术手段。

沉积物古DNA重构动植物群落变化及人地关系的研究进展

近二十年兴起的沉积物古DNA指标具有极大的生物分类学宽度,为认识全球范围内海相、湖相、陆相第四纪生物环境演变和人地关系注入了新活力。然而,这一指标在国内的应用极为有限,严重滞后于国际水平。本文在介绍沉积物古DNA指标的鉴别实验流程和国内初步试验结果的基础上,综述了沉积物古DNA组成在重建地质历史时期动植物群落对气候变化的响应、人类迁徙导致的动植物扩散及其环境效应和人类农牧活动历史演化三个方面的应用,展望了沉积物古DNA的未来研究方向和前景,以期推动沉积物古DNA指标在国内第四纪气候和环境考古领域的应用与发展。

沉积物古DNA探秘灭绝古人类演化

古DNA领域首次从世界不同洞穴遗址的沉积物里提取古核基因组以揭示相关物种演化的突破性进展,标志着沉积物古DNA研究正式进入全基因组时代。近期,一种新的沉积物古核DNA富集方法成功从西班牙Estatuas洞穴沉积物里捕获多个尼安德特人的核DNA,揭示该灭绝古人类群体此前未知的人口更替的历史。沉积物古核DNA富集突破了古DNA研究依赖化石材料的限制,为深入探究远古不同人类群体在更宏大时空框架下迁徙、演化与适应的历史提供了更多可能。由此,本文将着重解读该研究带来的对尼安德特人遗传历史的新认识及其方法创新的重要意义;此外还将结合人类化石DNA及其他沉积物研究所发现的灭绝古人类线粒体DNA证据,厘清尼安德特人的种群多样性及其种群间分离或替代的历史。

从宏观到微观:土壤及沉积物的考古学研究进展

土壤或各类沉积物是考古发掘中最常见的物质,是各类考古遗存的载体,同时也是考古学研究的对象,蕴含着丰富的考古学信息。随着考古学研究方法和检测手段的快速发展,考古学研究对象由宏观层面拓展至分子级别的微观层面。以土壤或沉积物为对象的考古学研究也不断深化,呈现出精细化的趋势。目前考古土壤研究仍停留在宏观层面,微观研究尚处起步阶段。为实现从宏观到微观的跨越,该文系统梳理了考古土壤微观研究的4个方面——土壤地球化学研究、土壤微形态分析、沉积物古DNA研究和有机残留物分析。研究表明:①土壤地球化学利用元素异常分布推测人类活动,已应用于遗址勘探、功能区划分等;②土壤微形态揭示了自然与人为因素对土壤的影响,可用于环境考古研究;③沉积物古DNA实现对古代生物种属的识别,在古环境研究中应用广泛;④有机残留物分析可检测古代饮食、祭祀等活动的残留,为重建古代生产生活提供依据。该文认为上述4方面在考古土壤微观研究中发挥着重要作用,但尚未形成有机整体。因此,考古土壤微观研究应加强多学科综合研究,并探索统一的土壤保存方法,从而推动考古土壤研究从宏观走向微观,以发掘更丰富的考古信息。

湖泊沉积植物DNA宏条形码技术在青藏高原植被调查中的应用

得益于环境DNA技术的快速发展,沉积DNA(sedDNA)正在成为偏远地区植被监测和调查的便捷方法,并具有较大的发展潜力.青藏高原气候环境条件恶劣,同时小型湖泊众多,利用sedDNA进行植被调查不仅有助于了解高原现代植被状况,也是进行高原古植被重建的潜在需求.本研究以中国青藏高原西南部59个泡子/湖泊表层沉积物为研究对象,使用通用植物引物g-h扩增叶绿体trnL(UAA)内含子P6环区,获取了sedDNA中的植物组成信息,并将其与野外植被调查记录和沉积物花粉数据进行对比分析,探讨了基于沉积物的植物DNA宏条形码技术在青藏高原地区现代植被监测和古植被重建中的适用性和局限性.研究结果表明,植物DNA宏条形码信号共记录了186个陆生植物类群,其中30.1%的序列可以鉴定到种水平.植物sedDNA方法可以揭示调查地点周围的主要植物类群(包括菊科、莎草科和禾本科)以及重要植被组合.植物sedDNA的类群数量和分类学分辨率均超过花粉分析(75个类群,其中5.3%的类群可以鉴定到种水平).与花粉保留大量的区域植物信号(包括松属和蒿属)不同,植物sedDNA反映了高度局地的植物信号,凸显了植物sedDNA在局地植被监测和重建中的重要性.综上所述,(小型)湖泊植物sedDNA宏条形码研究在未来的青藏高原区域植被监测和重建中值得更多的关注.

沉积植物古DNA在第四纪植被重建中的应用

沉积植物古DNA是分析古植被信息的前沿手段,可以从分子生物学视角为古植被和古环境重建提供更开阔的视野。分析了沉积植物古DNA保存的主要影响因素;概述了沉积植物古DNA分析流程;综述了沉积植物古DNA在重建植物群落动态演变过程、气候与环境变化以及生态演化对人类活动的响应等领域的相关研究进展,沉积植物古DNA分析通过提供快速和高分辨率的古植物物种信息,能够重建植物群落演变过程,定量、半定量重建古气候,并探究人类农牧活动对生态系统的影响。未来的研究中应该构建更加完善的植物物种DNA分类参考数据库,加强沉积植物古DNA分子的埋藏学研究,推广其在第四纪古环境研究中的应用,同时构建多指标记录以获得更完整的古生态信息。沉积植物古DNA将在古植被与气候变化以及人类活动关系研究中发挥更广泛的作用。

Study on the base-level cycle and the sedimentology of Permian in Jiyang area

The identification of sequence boundaries is the key point for sequence stratigraphic classification. Both the higher-order sequences and the units within the sequences are bounded with the key sediments or isochronous surfaces. Eight sequences can be divided in the whole Permo-Carboniferous strata （the Shiqianfeng Formation is not included）, which is from the Benxi Formation, Taiyuan Formation, Shanxi Formation, Xiashihezi Formation, Wanshan Section, and Kuishan Section to the Xiaofuhe Section. Also, different system tracts （Iowstand system tract, transgression system tract and highstand system tract） and some parasequences can be recognized in each sequence. Parasequence analysis was on the basis of the division of the base-level cycle. The base-level cycle was mainly identified according to the change of the water area, which was reflected by the depositional sequence. The physical characteristic of the strata was reflected by the well log. It was supplied by the test of the minerals and rocks and the analysis of the micro-element in the lab. The paleogeographic characteristic of the Iowstand system tract in the sequence Ⅵ is that the east-north part takes the river system as its feature; the south part is the lake system, the river channel spreads from north to south, and the area of the flooding plain is great. The paleogeographic characteristic of the water-transgressive system tract is that the range of the lake in the south extended distinctively, the range of the river channel in the east reduced. The coastal shallow lake deposit is the main characteristic in the water-transgressive system tract. The paleogeographic characteristic of the highstand system tract is similar to the one of the Iowstand system tract.

堆积物古DNA揭示西藏廓雄遗址的食物构成

动物考古和植物考古是重建古代食谱的重要手段.对出土动植物遗存的种属鉴定是动植物考古研究的基础,但其鉴定效率严重依赖于动植物遗存的保存状态.沉积物古DNA(sedimentary ancient DNA)是一种新兴的技术手段,可以从数十万年以来的沉积物中提取出古代动植物和微生物的遗传信息,进而恢复当时生态环境中的物种组成.但目前将沉积物古DNA技术应用于旷野遗址的研究还鲜有报道.本文尝试将沉积物古DNA技术应用于西藏廓雄遗址(3160~2954cal a BP)的调查剖面,并与出土的动植物遗存进行对比.结果发现,在大麦(Hordeum vulgare)和绵羊(Ovis aries)等农作物与家养动物的鉴定上,两种方法可以互相印证,但遗址堆积物古DNA中还检测到大植物遗存中没有发现的粟(Setaria italica),以及多种与农作物伴生的微生物.本研究通过动植物常规鉴定方法与沉积物古DNA分析,揭示了廓雄遗址先民的部分食物组成,其中包括:粟类、麦类等谷物,绵羊、黄牛等家养动物,以及渔猎的野生动物等.本项研究表明,沉积物古DNA技术具有通过旷野遗址文化堆积物复原其中动植物种属信息的潜力,为其进一步应用于植物考古和动物考古研究奠定了基础.

青海湖布哈河流域表土DNA浓度的空间分布及影响因素

沉积物DNA因可提供地理环境中带有时间刻度的生物动态信息,被广泛应用于气候变化、生态功能及环境考古等方面的研究。但对该指标在流域范围内的地表过程及影响因素仍缺乏全面了解,限制了沉积物DNA数据分析的准确性与合理性。本文以适宜DNA保存的青海湖西北部布哈河流域表土为载体,通过提取表土DNA浓度并测定粒度、元素、烧失量和TOC等土壤理化特征,结合气候、植被覆盖、土地利用等环境要素,耦合分析该流域表土DNA浓度空间分布的非生物影响因素。结果表明:(1)布哈河流域表土DNA平均浓度为0.91μg/g,干流中游及支流吉尔孟河区域的DNA浓度最高,而靠近湖区的布哈河下游段则含量较低;(2)该流域表土DNA浓度与其自身的黏粒和有机质含量呈正相关,而与砂含量和风化淋溶强度呈负相关;(3)高植被覆盖和频繁的放牧活动有助于DNA在土壤中的富集,而暖湿环境下较强的风化淋溶、河流搬运、农耕活动则会降低土壤DNA浓度。上述结果为理解布哈河流域沉积物DNA的埋藏过程及影响因素提供了科学依据,也为未来重建青海湖西侧沉积物DNA组成及区域生态环境、人地关系演变奠定了基础。

Al^(3+)/graphene composites for electrochemical detection of DNA cleavage

Herein, we present the electrochemical co-deposition of Al3+/graphene composites directly from an aqueous mixture containing graphene oxide (GO) and Al3+. The obtained Al3+/graphene composites with good electrochemical activity were regarded as an appropriate immobilization platform for double-stranded DNA (dsDNA). The nontoxic redox probe xanthurenic acid (XA) was successfully applied to recognize single-stranded DNA and dsDNA. We illustrated that the scission of dsDNA caused by GO combining with some metal ions could be detected by monitoring the electrochemical signals of XA.