Using palaeoenvironmental DNA to reconstruct past environments: progress and prospects

Palaeoenvironmental DNA (PalEnDNA) is defined as ancient DNA (aDNA) originating from disseminated genetic material within palaeoenvironmental samples. Sources of PalEnDNA include marine and lake sediments, peat, loess, till, ice, permafrost, palaeosols, coprolites, preserved gut contents, dental calculus, tephras, and soils as well as deposits in caves/rockshelters and at archaeological sites. PalEnDNA analysis provides a relatively new tool for Quaternary and archaeological sciences and its applications have included palaeoenvironmental and palaeodietary reconstructions, testing hypotheses regarding megafaunal extinctions, human–environment interactions, taxonomic studies, and studies of DNA damage. Because PalEnDNA samples comprise markedly different materials, and represent wide‐ranging depositional and taphonomic contexts, various issues must be addressed to achieve robust, reproducible findings. Such issues include climatic and temporal limitations, the biological origin and state (free versus bound) of PalEnDNA, stratigraphic reliability, sterile sampling, ability to distinguish modern from aDNA signals, DNA damage and PCR amplification, DNA extraction methods, and taxonomic resolution. In this review, we provide a non‐specialist introduction to the use of PalEnDNA for Quaternary and archaeological researchers, assess attributes and limitations of this palaeoenvironmental tool, and discuss future prospects of using PalEnDNA to reconstruct past environments.     

Analysis of coprolites from the extinct mountain goat Myotragus balearicus

Humans colonized the Balearic Islands 5–4 ka ago. They arrived in a uniquely adapted ecosystem with the Balearic mountain goat Myotragus balearicus (Bovidae, Antilopinae, Caprini) as the only large mammal. This mammal went extinct rapidly after human arrival. Several hypotheses have been proposed to explain the extinction of M. balearicus. For the present study ancient DNA analysis (Sanger sequencing, Roche-454, Ion Torrent), and pollen and macrofossil analyses were performed on preserved coprolites from M. balearicus, providing information on its diet and paleo-environment. The information retrieved shows that M. balearicus was heavily dependent on the Balearic box species Buxus balearica during at least part of the year, and that it was most probably a browser. Hindcast ecological niche modelling of B. balearica shows that local distribution of this plant species was affected by climate changes. This suggests that the extinction of M. balearicus can be related to the decline and regional extinction of a plant species that formed a major component of its diet. The vegetation change is thought to be caused by increased aridity occurring throughout the Mediterranean. Previous hypotheses relating the extinction of M. balearicus directly to the arrival of humans on the islands must therefore be adjusted.     

洱海沉积物中有机质和DNA的分布特征

测定了洱海沉积物中有机碳、氮,提取了沉积物中的DNA。有机碳氮呈现相同的变化趋势降解主要发生在表层10cm;7cm前后氧化-还原条件变化,微生物电子受体改变,所以有机质的降解方式不同,出现不同的特征。利用分子生物学和地球化学相结合的方法,能更全面的认识和理解早期成岩过程。     

地质体中主要生物分子的研究方法及应用

现代分子生物学,生物化学及有机地球化学等领域的发展,为古生物研究者在发子水平上探索地质生物世界提供了新的概念和技术手段,本文着重讨论了可用于分子古生物学研究的生物分子,例如,维管植物的木质素等稳定生物聚合物,古生物细胞内的类脂化合物,碳水化合物,蛋白质及氨基酸和含遗传信息的核酸,分子古生物资料可用于探讨化石埋藏学,古生物分子系统学,生物演化模式与机制,分子演化速率,古生态环境再造等问题,本文较详细     

寒区环境中的古DNA分子

寒区埋藏环境常年处于负温条件下,土壤冻结或冰的形成过程产生封闭作用,可以隔离造成埋藏生物遗体同DNA氧化分解的氧气之间的接触.由于液态水含量极大地减少和冰胶结作用,使得主要依赖于液态水而发生的生物大分子的化学分解以及生物降解反应作用减慢,有机体没有成岩过程中降解以及水解作用,从而使古DNA分子可以得到较好的保存.目前绝大多数关于古DNA研究的重要成果所使用生物材料均来自寒区环境,最为引人注目的有关猛犸象、棕熊和企鹅化石古DNA的研究.这些研究分别从个体、种群和同一种群在不同时间尺度上描绘了它们与现代生物种之间的亲缘关系、过去发生的生物迁移和空间隔离以及特定生物分子水平上的时间演化.从目前来看,大量的生物标本很好地保存在那里,以至于单一考贝基因都可以获得,因此是获取古DNA并获得相应遗传信息的理想地区.     

青藏高原多年冻土沉积物中埋藏植物DNA特征的初步分析

多年冻土沉积物长期处于负温及封闭条件下,使得其中埋藏植物材料得到较好的保存,成为获取古DNA分子的理想材料.采用常规的CTAB法提取多年冻土中埋藏植物材料的DNA,并用琼脂糖凝胶凝胶电泳检测.结果表明,从多年冻土埋藏植物材料中可以提出DNA,而且所提出的DNA不仅具有降解的小分子量DNA分子,而且还有大分子量DNA.提取的埋藏植物材料的DNA多呈棕褐色,指示了在埋藏过程可能发生一定的聚合.电泳结果表明,随埋藏时间的增加(深度增加),埋藏植物材料中DNA含量呈下降趋势.由于埋藏植物材料在不同时代的多年冻土中均有发现,其DNA分子的提取为深入研究其特征所带遗传信息,重现植物大分子物质在地质历史中的演化提供了可能。     

用于构建生物系统发育树的古DNA序列

主要综述了古 DNA研究进展以及结合古 DNA序列和基因库中的数据构建系统发育树。这些研究能解决许多有关演化生物学、考古学、人类演化及迁移、动植物的家养和驯化过程及早期农业的发展、考古点的动植物残骸的精确鉴定及地质演化等问题。另外 ,还列举了一些重要的实例     

Genetic Analysis of Invertebrates From Great Salt Lake,Utah

正Great Salt Lake(GSL),in northern Utah,is one of the largest lakes in the United States,with a total surface area of 4400 square kilometers.Arthropods constitute the most conspicuous and abundant animals inhabiting the waters     

Characterization and recovery of the halophiles in the fluid inclusions in halite

正1 Introduction It is the focus of geology and biology that the creature preserved in the geological history and the organic evolution.The creature preserved in geological history by these things:sedimentary,frozen earth,chrysophoron and evaporation salt.Evaporation salt can preserve the microbe     

地质微生物学中几项最新研究进展

地质微生物学是地质学和微生物学之间的交叉学科,在过去的十几年中已取得了突飞猛进的发展。该研究领域涉及全球许多种极端环境,例如从地下深部结晶岩、古沉积岩、到现代超盐度湖泊、干旱的沙漠和热液喷口系统等。因为地质微生物学进展的综述可能要用一本专著方可阐述清楚,作者在此仅对地质微生物学几个活跃的前缘研究领域进行了综述,包括大陆深部、盐碱环境、干旱沙漠等极端环境中的微生物生态,白云石的微生物成因,古代沉积岩中的微生物古DNA及其环境意义以及海洋地质微生物学等几个方面。这些研究证明了将地质过程和微生物作用联系起来的重要性。     

Beringia as an Ice Age genetic museum

Thousands of Late Pleistocene remains are found in sites throughout Beringia. These specimens comprise an Ice Age genetic museum, and the DNA contained within them provide a means to observe evolutionary processes within populations over geologically significant time scales. Phylogenetic analyses can identify the taxonomic positions of extinct species and provide estimates of speciation dates. Geographic and temporal divisions apparent in the genetic data can be related to ecological change, human impacts, and possible landscape mosaics in Beringia. The application of ancient DNA techniques to traditional paleontological studies provides a new perspective to long-standing questions regarding the paleoenvironment and diversity of Late Pleistocene Beringia.     

河南安阳殷墟孝民屯遗址出土家养黄牛的DNA研究

作为晚商的都城和当时最大都市的殷墟(1300~1046 BCE),家养黄牛是最重要的大型家养动物之一.殷墟的家养黄牛可以肉食、可以役用,骨料可做骨器,是最主要的祭牲,其肩胛骨还可以用于占卜、可以记载甲骨文.本文对安阳殷墟孝民屯遗址普通灰坑和祭祀坑出土的15例牛骨线粒体DNA控制区285 bp的片段进行分析研究,其中有13例获取了所需的DNA序列.DNA分析表明12例属于家养普通牛(Bos taurus),1例属于野生原始牛(Bos primigenius).殷墟孝民屯家养普通牛的单倍型类群分布频率为以T3为主约占58.3%,T4次之约占33.3%,T2最少约占8.3%,该遗传多样性在当时已经达到或保持在可能的最高水平了.推测作为都城和大都市的殷墟聚集了中国早期各个地区的黄牛.孝民屯祭祀坑和普通灰坑出土牛骨线粒体DNA单倍型类群没有明显的差异,表明孝民屯用于祭祀的黄牛没有经过特殊的"母系"筛选,但不排除有对核DNA控制的特殊体质、生理或行为等性状进行有意识地筛选,以示祭祀的神圣性和特殊性.本文有限的DNA数据显示普通灰坑出土牛骨的DNA保存相对较差,暗示着普通灰坑的牛骨作为食余废弃物可能经历了更多炊煮活动中的高温处理,坑内埋藏环境不同也可能使普通灰坑的牛骨保存状况不如祭祀坑内的牛骨,普通灰坑牛骨样本DNA降解和破坏得更厉害.     

从DNA角度认识中国黄牛的起源和利用历史

中国黄牛的起源及驯化一直是遗传学家和考古学家共同关注的热点问题.中国拥有丰富的牛种资源,仅中国地方黄牛品种就多达55个,境内及周边还分布着能与黄牛杂交的近缘野牛,这导致中国黄牛的遗传背景和形成历史非常复杂.利用DNA可以解析中国黄牛的起源和利用历史,通过Y染色体、线粒体和核基因组遗传标记已经从父系遗传、母系遗传和基因组...     

冰川表层雪样中微生物总DNA几种提取方法的比较研究

通过对4种具有不同裂解方式的微生物总DNA提取方法的比较,筛选出较佳的方法进行滤膜处理、DNA抽提及沉淀的优化,再将优化出的传统DNA提取方法与商业化试剂盒提取方法比较.结果表明:商业化试剂盒提取总DNA的方法适用于冰川表层雪微生物总DNA的提取;其次,将滤膜剪碎,用溶菌酶(5mg.mL-1)+蛋白酶K(1mg.mL-1)+CTAB(1%)+SDS(1%)的裂解方式,氯仿:异戊醇(24∶1)抽提一次,乙醇沉淀DNA的提取方法是一种效果较佳且廉价的冰川表层雪微生物总DNA提取方法.     

大熊猫的分类与演化综述

从化石记录和分子生物学证据方面探讨了大熊猫分类和演化的研究现状及进展.归纳和介绍了大熊猫种和亚种的划分及其主要鉴别特征、分布时限、不同地史时期大熊猫的地理分布;根据牙齿特征的细微差别将大熊猫划分为5个主要的种和亚种;根据大熊猫各种和亚种时空分布及其形态的渐变过程,得出了禄丰始熊猫→大熊猫小种→大熊猫武陵山亚种→大熊猫巴氏亚种→大熊猫现生种的演化谱系图;由于大熊猫与熊类、浣熊类在形态及遗传学上均表现出一定的相似性,因而在"科"级水平上大熊猫的归属出现了较大的争执,主要有三种观点:大熊猫属于熊科,大熊猫属于浣熊科,大熊猫自成一科,并列举了各自的证据;指出了大熊猫分类和演化研究中存在的问题,并展望了古DNA和食性研究在大熊猫分类中的应用.     

聚球藻病毒研究进展

聚球藻是海洋浮游植物群落的优势组分,是全球碳循环的主要参与者和初级生产力的主要贡献者.聚球藻病毒对聚球藻有较高的致死率,聚球藻病毒对聚球藻的裂解对碳的生物地球化学循环有十分重要的作用.对聚球藻病毒的宿主、分类和生活方式作了简介,综述了聚球藻病毒研究方法、生态分布特征、遗传多样性与宿主的关系及其进展,评述了不同基因标记物在聚球藻病毒分子生态学应用上的优缺点,最后提出了聚球藻病毒的研究展望.旨在为海洋病毒生态学,海洋碳循环的研究提供参考.     

分子钟假说与化石记录

进化是整个生命科学研究的核心和灵魂 ,而早期的生命演化在生物进化过程中具有重要地位 ,是科学界研究的前沿和热点问题。基于生物的遗传距离所建立的分子进化速率 ,可用于进一步推测不同生物类群在进化历史上的分歧时间。这一间接时间数据可与化石记录所反映的直接数据进行比较。分子钟研究为探究早期生命演化提供了一个新的途径 ,不仅可用来对基于化石记录的传统结论加以验证 ,同时对于化石记录不完整的生物类群起源历史的推测具有特殊意义。然而 ,利用分子钟方法所得出的不同门类起源时间总是早于化石记录 ,因此分子钟与化石记录的矛盾仍十分突出。文中综述了基于化石证据研究后生动物起源、寒武纪生命大爆发及被子植物起源等早期生命演化的研究进展 ,介绍并分析、讨论了分子钟方法及利用分子钟研究早期生命起源时间问题及其与化石记录间的矛盾 ,同时认为古DNA的证据有利于分子钟的校正     

湖泊沉积物中DNA提取与PCR扩增

对湖泊沉积物中保存的生物大分子—DNA进行研究分析,以探讨湖泊生态系统随环境改变而演变的过程。根据前人对土壤和海洋沉积物DNA的提取方法,针对湖泊沉积物的特点进行改进,在此基础上对太湖梅梁湾湖泊沉积岩芯进行DNA提取和扩增。结果表明：不同深度湖泊沉积物均能获得DNA,且纯度较高,OD²⁶⁰/ OD²⁸⁰均大于1.4、OD²⁶⁰/ OD²³⁰大于1.1,可直接用于PCR（polymerase chain reaction ）扩增。对微囊藻的16S rRNA基因进行PCR扩增,结果发现在前5个沉积物样品中,均得到了200 bp左右的微囊藻16S rRNA基因片段,表明微囊藻或已降解的微囊藻基因片段存在于这5个层位的湖泊沉积物中。这为利用湖泊沉积物中的生物分子来推断历史湖泊生物群落结构,判断湖泊生态演变的历史提供了新的研究思路。     

古环境DNA与环境考古

古环境DNA(ancient environmental DNA,简称ancient eDNA)指保存于古环境样品中的生物古DNA(ancient DNA,简称aDNA).与直接从古代生物遗存内获取的单一物种古DNA不同,古环境DNA为多种生物的混合DNA,常常以小片段DNA分子形式吸附在腐殖质和矿物颗粒上,主要从粪化石、牙结石、肠道残留物、冰川、冻土、泥炭、湖泊、海洋、洞穴和遗址沉积物等环境样品中获得.古环境DNA研究自1998年开始兴起,经历了早期的DNA条形码(DNA barcoding)古代物种鉴定,到DNA宏条形码(DNA metabarcoding)古代生物类群恢复,再到近期的鸟枪法宏基因组(shotgun metagenomic)古生态系统重建等发展历程,目前已形成了完善的研究体系,可以完成对古环境样品中大部分动物、植物和微生物物种的检测.相比于传统的动植物化石形态鉴定手段,古环境DNA研究具有样品用量少、方法简单快捷、不依赖于化石、一次实验可以确定大量物种信息等优势.目前,国际上的古环境DNA研究在古生态环境重建、古代农业发展、古代人类食性、人类扩散历史和人类活动对环境影响等环境考古领域的应用都取得了良好的进展并发表了大量成果,但国内相关研究还少有报道.本文综述了古环境DNA技术的发展、研究方法、应用方向及存在的问题等内容,认为随着古环境DNA研究技术的日趋完善,其在环境考古学中的应用前景也将更加广阔.     

The Biodiversity of Shrimp Genus Artemia from Russian Lakes:Morphometric,Cytogenetics and DNA-analysis

正Shrimps of genus Artemia are the inhabitants of continental and marine waters with salinity of 70 to 350 g/l and above.Artemia is able to survive in the conditions in which other animals cannot exist.This is due to adaptations:effective osmoregulation system,the ability to synthesize of respiratory pigment(hemoglobin)and diapauses cysts(Litvinenko at.al.,2009).Cysts of this