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南京土壤所等關于生物多界互作控制地下文化遺址微生物組研究取得進展

2022-03-29 分享到:
[video:打虎亭漢墓1]
 

文化的傳承是人類進步的見證和命脈。文物是文化的載體,文物微生物病害防治是人類文化傳承的重要保護措施之一。地下文化遺跡一旦被挖掘,其中的文物就會暴露于外部環境中,受到生物病害的影響,造成不可估量的損失。為了保護這些珍貴的歷史文化遺產,全世界科學家致力于不同的保護措施,成效顯著。同時,越來越多的科學家認識到更需要從生態學角度去系統性的認識文物微生物組。以法國拉斯科洞窟(15000~17000年前的史前壁畫)為例(https://www.nature.com/articles/433100a),由于缺乏生態學的認知,導致了三次微生物大爆發,且一次比一次嚴重,例如產生了新的物種,微生物抗逆性增強和單個物種演替為復雜群落。Nature專欄報道,甚至給出了“Best way to protect rock art is to leave it alone”(https://www.nature.com/articles/433800c)的結論。因此,從生態學的角度來揭示地下遺址文物微生物組的起源、遷入、定殖和爆發等過程,是制定文物微生物防治長期戰略的關鍵。

打虎亭漢墓,位于鄭州市新密市,距今1800多年,1988年1月被列為全國文物重點保護單位。地宮中保存了畫像石刻(例如《宴飲百戲圖》和《豆腐制作圖》等)詳細記錄了東漢時期人們的衣食住行,在中國考古和美術史上具有極高的地位。目前,該墓葬內出現白色菌斑,但其原因不明。中國科學院南京土壤所研究員馮有智研究團隊聯合敦煌研究院、東南大學、南京林業大學、南京工業大學、南京農業大學、西班牙塞維利亞自然資源和農業生物研究所、廣州美格基因生物技術有限公司和南京聯凱環境技術檢測技術有限公司等多家國內外研究單位,結合野外調查、擴增子和宏基因組測序、菌株生理生化鑒定和生物交互實驗,從微生物生態和生理兩個層面系統揭示了打虎亭漢墓微生物組形成的生態學過程(圖1)。

研究發現,打虎亭漢墓內微生物組以放線菌為主的細菌和以彈尾跳蟲為主的原生動物組成。打虎亭漢墓內微生物物種源自于周邊環境,即周邊環境提供了該墓葬微生物的種庫。放線菌釋放信號分子—土臭素,吸引原生動物—彈尾跳蟲來捕食,以增加自身的擴散能力;作為回報,放線菌產生的抗生素可以提高彈尾跳蟲對病原微生物的抵抗力,形成了物種互利共生。由于彈尾跳蟲喜好溫濕度穩定的黑暗環境,當地下墓室被打開后,一開始少量彈尾跳蟲會攜帶放線菌進入到地下墓室內。由于放線菌具有較強的底物代謝能力,它們可以通過“掠奪型競爭”過程(或適度差異)更易于其它細菌定殖在墓室墻壁和壁畫上;同時,由于放線菌能夠產生多種抗菌類物質,它們能夠通過“干擾型競爭”過程,抑制其它細菌生長。放線菌一旦在地下墓室內定殖后,會產生釋放更多的土臭素,進一步吸引彈尾跳蟲攜帶更多的放線菌進入,最終導致了打虎亭漢墓白色菌斑出現。

該研究表明,微生物物種多界互利和競爭等生態過程的協同是地下文化遺址(墓葬、洞窟等)微生物組來源、遷入、定殖的重要途徑之一。該研究是國內外首次應用生態學理論于文保微生物研究,結合前人在微生物學和環境微生物學上的認知和實踐,將會更好的幫助人們了解、制定和實施有效的文保措施。

研究得到了科技部十三五國家重點研發計劃“墓葬壁畫原位保護關鍵技術研究(2019YFC1520700)”項目資助和敦煌研究院的大力支持。研究成果已于2022年3月在美國科學院院刊(PNAS)上發表。

論文鏈接

 

圖1 打虎亭漢墓微生物組形成的生態學過程示意圖

 

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