古代DNA揭示长江中游新石器时代父系社群与南北人群动态互作

本刊推荐：为解析早期稻作人群的遗传特征及与粟作人群的相互作用，研究人员对汉江流域八里岗遗址58例古人基因组进行分析，发现该地区自新石器时代中期至青铜时代晚期存在连续的南北双向基因流，~4200 BP为关键转折点，南方遗传成分显著增加；同时揭示出大规模二次葬内的详细亲属关系及存在距今五千年的父系社群，为理解史前中国社会结构提供了新视角。

　　

在东亚文明演进史上，黄河流域与长江流域分别作为粟作农业和稻作农业的起源中心，孕育了截然不同的文化体系与社会结构。然而，由于长江流域早期农耕人群的古代基因组数据极度缺乏，我们对这两大农业体系承载者之间的遗传互动与文化交流的理解始终存在巨大空白。位于汉江流域的八里岗遗址，作为一处连续使用长达六千年的重要聚落，恰处于南北文化交汇地带，为破解这一难题提供了独一无二的钥匙。该遗址不仅保存了从新石器时代中期到青铜时代晚期的大量人类遗骸，更以其独特的大规模二次葬习俗，为探索史前社会组织结构打开了窗口。近日，一项发表于《Nature Communications》的研究通过对该遗址58例古代个体进行全基因组测序，首次系统揭示了长江中游北缘地区古代人群的遗传历史与社群结构。

本研究综合运用了多项关键技术方法：对103例人骨样本进行筛选，最终对58例内源DNA含量高于1%的个体进行深度测序，生成全基因组伪二倍体基因型；利用放射性碳测年（AMS ¹⁴C）和稳定同位素（δ¹³C、δ¹⁵N）分析建立年代框架与食谱特征；通过主成分分析（PCA）、ADMIXTURE、f-统计量（f₃/f₄）和qpAdm建模分析群体遗传结构与混合历史；采用线粒体DNA（mtDNA）和Y染色体测序确定单倍群；运用KIN、ancIBD和hapROH软件进行亲缘关系鉴定、身份同一片段（IBD）分析和纯合片段（ROH）检测；并创新性地开发机器学习模型用于低覆盖度样本的性别鉴定。

研究结果

八里岗遗址及其古代基因组

八里岗遗址位于长江中游北缘，是一处包含新石器时代早期至青铜时代晚期（8500-2500 BP）六个文化层的长期定居点。考古植物学证据表明稻谷为该地区新石器时代主要作物，碳同位素分析显示前龙山文化时期人群偏好高C₃食谱。遗址在晚新石器时代出现了成排的房址和大型二次葬，其中M13墓穴埋葬了超过90个体，伴随大量猪下颌骨，可能指向某种仪式活动。

八里岗个体的遗传结构

PCA分析显示八里岗个体主要聚集在现代汉人变异范围内，最接近黄河流域新石器人群，但明显南移。outgroup-f₃和f₄统计证实其与南方东亚人群有更高等位基因共享。ADMIXTURE分析表明八里岗个体比古代黄河流域人群携带更高比例的南方东亚成分，尤其在LN-SJH期之后。分析还识别出四个遗传异常个体（LN-YS_o1、LN-YS_o2、LN-SJH_o、LBA-Zhou_o）。

新石器时代南北方人群的时序性相互作用

远端qpAdm建模显示南北混合最早出现于MN-YS期（6000 BP）。从LN-YS（5000 BP）到LN-QJL（4700 BP），八里岗人群受到北方遗传影响。至LN-SJH期（4300 BP），基因流动主要反向，南方东亚成分（以Fujian_EN为代表）上升至35%。到LBA-Zhou期（2700 BP），基因流入又微妙转向北方，sEA成分降至24%。近端qpAdm模型对比相邻时期也证实了这种波动的基因流动模式。

值得注意的是，这些遗传变化与文化或农业变化并非完全同步。例如在LN-QJL期，出土稻谷比例从前一时期的42%显著增加至88%，但南方祖先成分的流入并未在该期个体中检测到，而是延迟到后续的LN-SJH期。

古代稻农的遗传成分与传播

LN-SJH期被确定为遗传连续性的关键分界点。F₄统计显示该时期前后南方东亚祖源成分存在显著差异。PCA核拟合揭示了LN-QJL与LN-SJH期之间约4200 BP的明显变化，进一步支持南方东亚遗传成分的显著流入。同时期黄河流域晚新石器人群也检测到平行遗传变化。计算八里岗亚组间 pairwise 遗传差异发现LN-SJH期个体表现出最高遗传多样性。一致地，基于4-20 cM长度ROH分布估算的有效种群大小（N_e）在LN-SJH期最大，表明该时期可能发生了相当程度的种群混合。outgroup f₃和f₄统计显示一个异常个体（LN-SJH_o）具有特别高的南方东亚祖源含量。推测LN-SJH期稻作种植的高比例盛行可能与当时相关人群向八里岗及周边地区迁移有关。

对新石器时代东亚社会结构的启示

M13墓穴的二次葬习俗可能源于生者社群的某种仪式。但对这些跨越约两百年（5100-4900 cal BP）埋葬个体间相互关系的争论长期存在。对52例个体进行性别鉴定显示35男17女，表明该墓穴以男性为主。线粒体DNA宏单倍群分析显示82%属于D、M、A和R haplogroup（分别为34%、23%、14%和11%），提示新石器时代八里岗社群已建立多样化的母系关系。然而，M13男性的Y单倍型高度集中，所有谱系均属于Oβ-F46支系，该谱系在八里岗遗址从6000至4000 BP持续存在，占男性个体的82%（23/28）。

对覆盖度0.1X及以上的30例M13个体进行亲缘关系分析，揭示出3对一级、5对二级和5对三级关系。根据mtDNA单倍型结果，两对一级关系被确定为父-女对（一女约15岁，另一女18-25岁），一组一级关系为兄弟组。进一步利用改进的CREST方法鉴定出两对二级关系为父系半同胞（M13-75 & M13-7, M13-4 & M13-86），两对为父系叔侄关系（M13-75 & M13-90, M13-7 & M13-90）。M13-75、M13-7和M13-90之间的遗传关系得到单亲遗传单倍群数据有力支持，为通过父系谱系组织的家系提供了令人信服的证据，而每一代外来女性贡献了新的mtDNA谱系，提示存在女性外婚模式。

此外，通过anclBD对所有配对个体进行远亲遗传关系全面分析，识别出大量共享累积IBD超过100 cM的三至六度亲属对。结果显示成年男性间比成年女性间普遍存在更近的亲缘关系，后者几乎完全缺乏紧密亲缘关系，进一步表明盛行父系制度。Y单倍型在M13男性中的统一性与mtDNA单倍型的高度多样性也支持这一点。

然而，由于采样率、aDNA保存度限制以及M13墓穴人骨选择方式的不确定性，直接推断详细亲属结构异常困难。因此研究人员对各种亲缘结构情景下的种群进行模拟，评估模拟种群采样个体与M13实际数据间IBD共享谱的相似性。在多种亲缘结构设置中，与M13数据集相似度最高的模拟种群一致显示出接近单谱系结构的更高中心性，暗示M13个体可能来自由主导单谱系组成的种群。定量估计表明M13种群中心性>0.8的后验概率>78%，支持其由主导单谱系组成的假设。此外模拟结果通常支持M13个体可能来自超过200人的种群，估计后验概率超过87%。

结合个体埋葬位置，在墓穴内未观察到遗传相关个体安置的可辨别空间组织模式，表明精确的家谱系谱可能在这种二次葬实践中未知或不重要。从ROH分布中也发现了近亲婚配证据（虽不常见），表明当时可能没有严格防止近亲个体繁殖的机制。

讨论

先前发表的古代基因组数据表明，古代南北方东亚人群的分化不晚于新石器时代早期。然而，由于南北方东亚祖源间的广泛混合，这种遗传分化在现代东亚人中已显著减弱。我们的时间序列数据表明，南北遗传混合的广泛发生至少在新石器时代中期已到达长江中游北缘。八里岗个体的遗传特征表明未出现同时期欧洲可见的显著种群替代事件。然而，与最高种群多样性 coinciding，约4200年前LN-SJH期出现了向南方东亚人群的明显遗传转变。一种可能推测与气候异常期有关，尽管仍存在古环境争议，该时期导致各种极端气候事件和长期显著景观转变，极大影响了作物种植和人类活动。八里岗遗址周边（北纬31°-36.5°）石笋δ¹⁸O记录和降水数据表明约4200 BP为湿润阶段气候，使该地区可能成为长江流域稻农大规模迁移的适宜目的地。古代黄河流域人群在晚新石器时代附近流入南方东亚祖源的遗传证据支持的平行变化，可能表明当时气候对环境与迁移模式产生了广泛影响。LN-SJH_o中显著更高的南方东亚祖源可能提示该异常个体代表早期南方移民。需要更多古代环境研究及相关考古学研究来阐明环境影响与人类行为间的相互作用。

考古证据表明南北文化在八里岗遗址不同时期交替出现，稻作种植比例相应波动。我们的遗传数据补充了这一模式，揭示了种群动态的连贯轨迹。值得注意的是，不同领域的证据在时间和强度上可能存在差异。例如LN-QJL和LN-LS期的遗传变化相比文化和农业变化可能存在潜在时滞，这需要进一步研究，包括某些时期样本量的限制。重要的是，尽管时间上存在这些细微差异，文化、农业和遗传转变的整体模式表现出显著一致性，增强了我们对数据整体解释的信心。

此外，考古植物学结果表明早在LN-QJL期八里岗遗址植物组合中稻谷比例显著增加，LN-SJH期持续高比例，LN-LS期略有下降。这支持了八里岗人群对华南稻农的亲和力在4200 BP前增加的遗传发现。然而我们的同位素分析显示各前LS时期（除LN-QJL期外）个体的δ¹³C值变化范围大（-16‰至-20.5‰），表明八里岗遗址每个时期饮食组成多样，可能反映个体对不同食物来源的偏好。相比之下，考古植物学结果提供了整个时期和遗址植物组合组成的平均表征，这可能解释了观察到的差异。对八里岗遗址动植物遗存的进一步同位素分析将增强对人类同位素数据的解释。

埋葬实践可能反映了个体的社会模式。考古证据表明二次葬是中国新石器时代仰韶文化时期的常见习俗，时间跨度长、分布范围广、具有阶段性和地域特征。然而，仅基于文化器物或人骨体质特征，这种埋葬习俗的动机仍不明确。来自M13墓穴的古代基因组数据——代表八里岗遗址大型二次葬——为解读合葬个体间关系提供了 essential 线索，有助于重建中国新石器时代的社会组织。然而我们强调这些解释可能无法推广到其他时期。考古学和人类学研究中对于实行二次葬的社群是按父系还是母系谱系组织，以及为二次葬收集的所有人骨是否具有该定居点居民间的血缘关系一直存在争议。我们的模拟结果通常支持BLG-M13个体表现出父系亲缘系统，家族谱系和世系通过男性追溯。这些精心选择的个体很可能是基于血缘关系的特定父系家族成员，而非无关社群居民的集合。多种假说被提出来解释中国古代社会中的二次葬实践，包括但不限于居住迁移、宗教信仰或在死后重聚氏族或家庭成员的愿望。结合某些考古发现，如精心安置在两组井然有序建筑群之间的墓穴、墓穴内精心排列的人骨堆、以及仪式性动物下颌骨和头骨的存在，我们的BLG-M13遗传数据更支持考古学推测，即这种二次葬实践旨在重聚家族死亡成员，从而增强社群凝聚力。

总之，本研究通过对八里岗遗址古人基因组的系统分析，首次揭示了长江中游北缘地区新石器时代至青铜时代的人群遗传历史，发现了南北农业人群之间持续数千年的动态交互作用，特别是约4200 BP的关键性遗传转变。研究还创新性地利用基因组数据揭示了大规模二次葬M13墓穴的父系社群结构，为理解中国新石器时代的社会组织、亲缘制度和埋葬习俗提供了宝贵遗传证据。这些发现不仅填补了长江流域早期农耕人群基因组数据的空白，更为研究农业传播、人群迁移与文化互动的复杂关系提供了重要见解。