●英文题目《Ancient genomes reveal tropical bovid species in the Tibetan Plateau contributed to the prevalence of hunting game until the late Neolithic》
●期刊：Proc Natl Acad Sci U S A
●影响因子：2022_IF=12.779；中科大类: 综合性期刊1区; 中科小类: 综合性期刊1区; JCR分区: Q1
●发文单位：中科院昆动所、西北农林科技大学、兰州大学等多个机构
●文章作者：中科院昆动所、西北农林科技大学陈宁博、兰州大学任乐乐、杜琳瑶，西北农林科技大学侯嘉雯为文章共同第一作者；中科院昆动所研究院宿兵，兰州大学董广辉教授，中科院研究员张晓明为文章共同通讯作者
●摘要：当地的野牛已被确定为青藏高原东北部 (NETP)的重要猎物，直到新石器时代晚期，狩猎活动一直是主要的生存策略，当时农业生活方式在邻近的黄土高原地区占主导地位。然而，这些史前野生牛科动物在史前NETP中的物种隶属关系和种群生态仍然未知。古代DNA (aDNA) 分析在解码此难题时具有很高的参考价值。在此，我们将aDNA分析应用于来自∼公元前5200年位于NETP边缘地区的新石器时代山那树扎（SNSZ）遗址的牛和犀牛标本。利用全基因组和线粒体DNA，我们的结果表明，在新石器时代晚期，当今热带野牛（gaur）(Bos gaurus）的范围一直向北延伸到NETP的边缘，从29 ° N延伸到34 ° N。此外，与动物考古学和古气候数据的比较分析表明，新石器时代晚期的夏季高温可能促进了热带动物 (至少是gaur和类苏门答腊犀牛（Sumatran-like rhinoceros）) 向北扩展到NETP。这丰富了当地的野生动物多样性，从而为人类提供了丰富的狩猎资源，并促进了青藏高原作为东亚狩猎活动的最后栖息地之一的探索。
●前言：自晚更新世以来，气候变化、生物地理学和人类活动之间的相互作用显著加强。突然的气候变化被认为是世界范围内人类扩散和更新世晚期北极地区巨型动物转变的一个重要因素，并促成了全新世早期的农业革命。在新石器时代，农民随着农作物和牲畜的扩散散布到旧世界（∼公元前10000到4000年），最终影响了欧亚大陆的生物地理学。然而，在那个时期，野生动物的地理分布对人类行为的影响仍然是个谜。
在东亚，在∼公元前10000年左右，小米作物被驯化，∼公元前6000年左右在黄土高原建立了以小米为基础的农业生活方式。仰韶晚期(公元前5500到5000年）和马家窑(公元前5300至4000年）文化的粟农向西扩张至青藏高原东北部 (NETP)，并广泛定居于海拔 2,500 米以下 。即使在 公元前~1,200 年左右将农业引入 NETP 之后，狩猎活动仍然是居住在海拔 2,800 至 3,000 米高原之间的当地的宗日文化（公元前~ 5,300 至 4,000 年 ）的主要生存策略。因此，NETP 成为东亚狩猎策略盛行的最后栖息地之一。
与以前对早期马家窑群的动物考古研究相反，从山纳树扎 (SNSZ) 的马家窑早期遗址 (34°29′34.06″N，104°4′24.54″E 岷县) 出土了丰富的野生动物遗骸。其时间为公元前~5,280至5,050年左右，位于海拔2,323米左右的NETP的边缘区域。鉴定出的野生动物遗骸的比例 (~ 76%) 远远超过家畜 (猪和狗) (~ 24%) ，而植物遗骸主要是碳化的狐尾和扫帚谷物 (超过80%)。这表明，尽管先前的动物考古研究表明，早期的马家窑群体主要利用牲畜而不是野生动物来提供肉类蛋白，但小米种植和狩猎都发生在SNSZ。
SNSZ 的野生动物遗骸包括鹿 （Cervidae）、斑羚 （Nemorhaedus griseus）、金丝猴 （Rhinopithecus roxellana）和犀牛（Dicerorhinus）的骨头。在 SNSZ 也鉴定到了牛科动物遗骸，它们被初步认定为西藏牦牛或家牛。然而，对于使用形态学方法进行物种鉴定而言，它们的降解度太高。古代 DNA (aDNA) 是鉴定来自中国北方考古遗址的牛科动物遗骸的有力工具，包括家牛（Bos taurus）、野生水牛（Bubalus mephistopheles）和野牛（Bos primigenius）。尽管在青藏高原的许多史前遗址中经常发现牛科动物遗骸，但尚未报道青藏高原牛科动物的物种鉴定。
使用aDNA剖面，我们提供了令人信服的证据，即公元前~5,200 年前当今热带gaur（Bos gaurus）和类苏门答腊犀牛 （Dicerorhinus sumaterensis）的范围一直向北延伸到北纬34.49 ° 的NETP边缘。在此期间，北半球，尤其是中高纬度地区的年平均和夏季平均温度远高于工业化前时期 (例如19世纪)。这两个热带物种目前居住在低纬度热带或亚热带地区; 而且，据我们所知，没有其他证据表明现代gaur的范围以前扩展到中国北方。因此，我们的结果为重新审视新石器时代晚期东亚气候变化，生物地理分布与人类生存策略的地理模式之间的联系提供了证据。
●主要结果：
1、来自SNSZ站点的牛动物残骸的aDNA真实性，保存和放射性碳年代测定。
SNSZ考古遗址位于甘肃省岷县境内，处于西北太平洋沿岸。该遗址毗邻黄河上游支流洮河，东北和西南为高山地形（图 1）。1981年至2010年间，海拔2315米的岷县气象站记录。在该站点（www.nmic.cn）以南约26公里处，记录的年平均温度为6.5°C左右，夏季平均温度为15.5°C，年平均降水量为~556毫米。
我们在中国科学院昆明动物研究所比较基因组组 (CGG) 的aDNA专用实验室进行了aDNA实验室工作。利用最初的鸟枪测序数据，首先通过评估几个关键指标来评估aDNA的真实性和保存情况，包括终端损伤率 (TDR) 、平均碎片长度和映射率。所有10个样品的tdr ≥ 10%，平均碎片长度和作图速率分别为56 bp至80 bp和0.001至3.75%，所有这些都表明所有样品具有典型的aDNA分子特征。此外，对于捕获的序列数据，我们绘制了每个样品的序列片段大小分布，表现出短片段富集模式，其作为aDNA的典型模式。
2、物种隶属关系的分子鉴定揭示了当今居住在热带雨林中的goar和苏门答腊犀牛曾经在公元前~5,200在NETP上出现
我们从 SNSZ 站点收集了 10 个骨骼样本以对这些牛科动物遗骸进行分子鉴定。牛科动物标本的鉴定首先是通过线粒体 DNA (mtDNA) 分析实现的，所有 10 个样本与现代野牛(NC_024818.1) 线粒体基因组的读数最多，而不是其他牛科动物，如牦牛或家养普通牛。通过结合鸟枪法和捕获测序数据，我们获得了 5.8× 到 1,703.5×（平均深度为 327.65×）的 mtDNA 基因组。为了进一步确定物种隶属关系，我们对这些牛科动物以及目前已知的九种现代牛属物种（普通牛 [B. taurus]、瘤牛 [Bos indicus]、印度野牛 [B. gaurus]、大额牛gayal [Bos frontalis] 、爪洼野牛（斑腾）[Bos javanicus]、牦牛 [Bos grunniens]、美洲野牛 [Bison bison]、欧洲野牛 [Bison bonasus] 和水牛 [Bubalus bubalis])的 mtDNA 序列进行了分析。构造的最大似然 (ML)和贝叶斯系统发育树都证实了 10 种 SNSZ 牛科动物作为现代野牛和gayal的姐妹血统的位置。（图2A-C）。 20个野牛和gayal mtDNA 序列聚集成三个不同的单倍群，我们将其命名为 G1、G2 和 G3。此外，我们发现 10 个古代样本中有 9 个紧密聚集在一起 (G3)，并与现存的野牛和gayal谱系 (G2) 在公元前～18,000显著分开。（图 2C），这暗示了一个与现代谱系存在很大差异的可能已经灭绝的亚系。然而，有一个个体 H63 与其他个体相比更接近现代野牛和gayal血统 (G2a)，并显示出现代血统的祖先状态，这表明可能存在“北方”和“南方”野牛之间的过渡种群（图 2C）。 G2a和G3相对年轻的年龄以及它们的星状特征可能与末次盛冰期（LGM，公元前25,000 至 18,000 年）之后可能发生的扩张有关。
为了证实上述物种鉴定并进一步探索种群关系，我们将10个样本的基因组捕获数据比对到普通牛参考基因组（ARS-UCD1.2）上。获得了序列深度为0.12×~3.73×的基因组核DNA数据（平均为1.16×）。我们发现这10个样本分别包括5个公样本和5个母样本。对于三个相对较高的基因组覆盖率的样本，H113、H57和H48，我们发现它们具有第四代到第三代的亲和性，这表明古牛物种的种群规模相对较小。基因组系统发育（NJ）树（使用990,246个高质量常染色体位点）将所有10个样本聚为一个分支，与现代gaur和gayal群体有明显的差异(图S5A)。我们还构建了Bos物种的基因组ML系统发育树，其中包括两个相对较高覆盖率的aDNA基因组（H113和H57）（使用8961232个高质量常染色体位点和72720个编码区位点）。NJ树和ML树均证实了上述mtDNA结果，并与Bos物种的拓扑结构一致(图2d，图S5)。通过对全基因组序列数据进行外群f3分析，测量共享f3（水牛；SNSZ，X）的遗传亲缘关系，进一步研究了古代SNSZ牛和现代牛之间的遗传亲缘关系。我们的结果证实了上述ML和NJ树的结果，并表明古代样本在基因上与现代亚洲野生gaur最为相似（表S6）。
对两个犀牛动物群样本进行鸟枪法测序，深度分别为0.42×和0.94×，覆盖分别5895bp和9940bp SNP。为了推断它们的物种隶属关系，我们对6种犀牛（[D.sumatrensis]）white [Ceratotherium simum], black [Diceros bicornis], woolly [Coelodonta antiquitatis], Javan [Rhinoceros sondaicus], and Indian [Rhinoceros unicornis] rhinoceroses) 的线粒体基因组进行了分析，并将一个 Perissodactyla species (tapir,Tapirus terrestris) 作为外群。系统发育ML树清楚地证明，这两个古代样本是苏门答腊犀牛的姐妹分支（图2E），目前只居住在印度尼西亚的苏门答腊岛和婆罗洲岛。
到目前为止，没有任何记录表明gaur曾经栖息在中国北方相对高纬度地区，特别是在高海拔的NETP。我们系统的aDNA解剖显示，公元前∼5,200年，当今低纬度热带雨林牛属goar和类苏门答腊犀牛曾经在亚洲北部NETP的边缘海拔∼2300米栖息
3、重建SNSZ Gaur种群动态，并检测与其他Bovid物种可能的基因流动
为了分析NETP中SNSZ gaur种群的种群动态，我们利用21个古gaur基因组、现代gaur基因组和一个斑腾（JN632605）作为外群，构建了一个贝叶斯天际线图（BSP），反映了女性有效种群大小随时间的变化。BSP重建结果显示，从公元前∼20,000年开始，gaur和gayal的有效女性群体规模呈下降趋势与LGM相一致。gaur种群规模的急剧下降发生在公元前∼5000年，之后维持了相对较长的时间（图2B）。后者的下降与古气候记录（青海湖）一致，即在公元前~5000至3600年的NETP（图1），这可能导致了许多当地野生动物种群（包括gaurs和类苏门答腊犀牛）的减少，表明了显著或大量的从栖息地逃逸，并向南迁移到低纬度温暖地区。
讨论
gaur，也被称为 “印度野牛”，是世界上最大的牛科物种，现有种群规模约为20,000，并被认定为国际自然保护联盟 (IUCN) 红色名录中的濒危物种。从历史到现在，gaur的全球分布仅限于南亚和东南亚的热带和亚热带地区，包括印度，尼泊尔，不丹，孟加拉国，缅甸，泰国，中国 (云南)，老挝，柬埔寨，越南，和马来西亚 (图1)。最北端的gaur种群位于喜马拉雅山的南麓，在印度东北部的丘陵地带，纬度达到北纬29 ° (图1)。在印度，类似 B. gaurus 的动物遗骸记录包括一个未注明日期的部分头骨和角，它们是在印度中部纳尔巴达河的冲积层中发现的 。Bibos gaurus遗骸，包括在中国南部和西南部发现的头骨，角，下颌骨和牙齿，可追溯到更新世。苏门答腊犀牛，也被称为毛犀牛或亚洲双角犀牛 (D.Sumaterensis)，是犀牛科最小的犀牛成员，并且是Dicerorhinus属的唯一现存物种。苏门答腊犀牛曾经分布在印度，不丹，孟加拉国，缅甸，老挝，泰国，马来西亚，印度尼西亚和中国西南部的热带雨林，沼泽和云雾森林中; 但是，目前只有五个实质性种群 (苏门答腊四个，婆罗洲一个)，在野外只剩下不到100个。目前，牦牛和牛是青藏高原经济的核心; 因此，NETP中的大多数考古牛遗骸传统上被确定为藏牦牛或牛。在这项研究中，我们提供了新石器时代晚期 (公元前5,200年) NETP边缘区域中存在gaur和苏门答腊样犀牛的aDNA证据。这些结果表明，物种的地理范围可能扩展到海拔约2,315 米和北纬34.49 ° 的最北纬度，更新了我们对gaur史前地理范围的了解。
西藏高原拥有世界上最大的田园生态系统之一，并且是多种动物的家园，这些动物可能被早期的猎人所利用。我们整理了青藏高原周围地区的考古和古气候数据，发现在公元前8,000年至6,000年期间，犀牛和野生水牛在中国北方地区频繁出现，揭示了相对温暖潮湿的环境，可以维持冷敏感的苏门答腊犀牛的生存。这些动物考古数据与季风中国的古气候记录一致，其中在全新世期间夏季温度和降水达到最大值 (图3 A，B和E)。先前对SNSZ的研究报告了badge，鼻猴和Bambusoideae植被的存在，所有这些都表明公元前~5,200年当地更加温暖潮湿的气候。 Gaur和Sumatran犀牛目前栖息在热带或亚热带低纬度地区，这些地区在最近的过去 (〜6.5 °C和〜556毫米) 明显比SNSZ更加温暖。此外，亚热带物种，如獾和野生水牛，是黄土高原中部关中地区的动物考古遗迹，在NETP以东约500千米，这说明与当前温度相比，仰韶中期 (公元前~6,000至5,500) 的温度更高。与邻近中国西南地区 (星云湖) 和黄土高原 (贡海湖) 的高分辨率古气候记录的比较进一步表明，公元前~5,200年当地的夏季温度 (平均7月温度) 和年降水量可能比最近的过去高出 2 °C，120毫米/年 (图1和3 A和B)。这些气候条件可能促进了SNSZ地区gaur和类苏门答腊犀牛的季节性存在。全新世期间的最佳热液条件发生在公元前~7,500至5,500年，当时狩猎野生动物是NETP和邻近地区的主要生存策略 (图3C)。此外，在此期间，犀牛也在黄土高原西部被猎杀 (图3E)。这突出了中国西北地区气候变化、野生动物的地理分布和人类狩猎行为之间的密切联系。
雨养农业的强化和扩张为公元前~6000年。改变了仰韶时期后期黄土高原的生存策略，包括大量畜牧业的显著增强，这使该地区的动物发展占主导地位。然而，在山区环境的边缘地区，人口数量少，加上有利的水温，确保该地区成为各种野生动物的理想栖息地，包括gaur和类苏门答腊犀牛。在第六千年后期，SNSZ和NETP其他地区丰富的生物多样性促进了狩猎的探索，因此出现了一种以小米种植和狩猎为主导的独特生存策略。这种生活方式明显不同于黄河中下游地区，后者以谷子种植和畜牧业为基础。
中国北方野生动物的多样性与前一千年相比在公元前~ 5000年到4000年期间下降（图3C）；然而，在海拔2500米以上的NETP中，狩猎活动仍然是一个重要的策略，并可能导致了人类对当地环境的影响，如这一时期的林地开发。温度和降水在公元前~5000至4000年迅速下降。这种温暖湿润/寒冷干燥的气候转变可能是公元前 ∼5000年（图2B）gaur种群快速下降和人类对驯化牛更加依赖的原因。在此期间，在中国北方的地区没有发现热带野生动物和苏门答腊类犀牛的遗骸，而在后来的南部地区（~公元前3000年）。在中国西南部的云南省发现gaur遗骸，这表明气候恶化可能引发了寒冷敏感的野生动物向南迁移，为NETP的家养动物腾出了生态位（图3E）。
我们还证明，沿黄河流域的野生动物分布，包括NETP、黄土高原和中国北方平原，与人类活动有关（图3D）。在公元前~ 5000至4000年，虽然狩猎活动仍在中国北方，但人类活动的增加加剧了野生动物数量的减少、灭绝和向南迁徙，并促使人类的生存策略从狩猎聚集转向农业生产。根据NETP和邻近地区考古遗址的放射性碳年代，我们发现该地区的人类殖民强度在公元前~ 6000-3000年之间呈上升趋势（图3D)。在公元前~4000至3000年期间，人类居住强度显著增加（图3D)。在包括青藏高原在内的所有地区，牲畜有大量的牦牛、牛、绵羊、马，显著减少了野生动物的栖息地。此后，gaur和苏门答腊式的犀牛几乎从∼34°N地区消失。
综上所述，我们的全基因组aDNA分析显示，在新石器时代晚期，NETP的野生牛包括gaur，这已经被现代牦牛和牛的分布所掩盖。我们的发现将历史上的gaur分布从∼29°N推到∼34°N。此外，通过整合aDNA与古气候和动物考古证据，我们的跨学科调查表明，区域全新世中期温暖气候时期促进低纬度热带动物向北扩张，丰富NETP生物群落多样性，为当地早期人类社会提供丰富的狩猎资源，促进探索狩猎结合小米种植独特生存方式。然而，在公元前~ 5000∼4000年期间的气候破坏和人类活动加剧，缩小了饲养野生动物的空间。公元前~ 4000年，狩猎逐渐被放牧所取代，在公元前~ 3600年之后人类广泛而永久地定居在具有耐寒农牧经济的高海拔地区。气候变化和人类活动都导致了gaur和苏门答腊类犀牛从中纬度和高纬度地区消失，最终形成了它们的现代热带生物地理分布。此外，我们的aDNA分析支持了全新世中期NETP中不同牛种物种的快速更替。进一步的aDNA研究，结合来自亚洲北部更多考古遗址的多学科方法，需要进一步了解过去气候变化、生物地理学和人类活动之间的相互作用。
