DNA条形码识别一个人吃过的植物

人们所说的他们吃过的食物和他们实际吃过的食物往往是两种截然不同的食物。但一项使用 DNA 条形码来识别人类粪便中植物物质的新技术可能会揭示真相，从而改善临床试验、营养研究等。

杜克大学医学院分子遗传学和微生物学副教授劳伦斯·戴维 (Lawrence David) 实验室的研究人员在早期尝试将粪便中发现的 DNA 与报道的饮食进行比较的研究基础上，开发了一种植物性食品的遗传标记，可以从粪便中取出。

领导该项目的医学博士/博士生 Brianna Petrone 博士说：“我们可以事后回顾并检测人们吃了哪些食物。”

该标记是植物用来为叶绿体提供动力的 DNA 区域，叶绿体是将阳光转化为糖的细胞器。每种植物都有这个基因组区域，称为 trnL-P6，但不同物种的情况略有不同。在一系列实验中，他们在五项不同研究的 324 名研究参与者的 1000 多个粪便样本上测试了该标记物，其中约 20 名参与者拥有高质量的饮食记录。

6 月 27 日发表在《国家科学院院刊》上的研究结果表明，这些 DNA 标记不仅可以表明所食用的食物，还可以表明某些食物种类的相对数量，并且粪便中发现的植物 DNA 的多样性各不相同根据一个人的饮食、年龄和家庭收入。

David 的实验室依靠膳食植物参考数据库，其中包含人通常食用的 468 种植物的标记，将粪便中检测到的 trnL-P6 版本与特定植物来源联系起来。经过一些调整，他们的条形码能够区分 83% 的所有主要作物家族。

彼得罗内说，目前无法检测到的农作物家族子集往往在世界其他地区被消费。该实验室目前正在努力将珍珠粟和霹雳果等作物添加到他们的数据库中。

大卫说，他们还没有追踪肉类摄入量，尽管这项技术也有能力做到这一点。“植物与动物摄入量的相对比例可能是我们可能考虑的最重要的营养因素之一。”

科学家们首先在减肥干预中的四个人的粪便样本上尝试了这种标记，他们确切地知道研究参与者一两天前吃的是什么。例如，知道患者吃的是一种名为蘑菇野米抓饭的菜肴后，他们寻找其成分的标记：野米、白米、波托贝洛蘑菇、洋葱、山核桃、百里香、欧芹和鼠尾草。

在这个干预组和第二个干预组中，他们发现条形码不仅可以识别植物，还可以识别某些植物的相对消耗量。“当膳食中记录到大量谷物或浆果时，我们还在 粪便中发现了更多来自这些植物的 trnL，”佩特龙说。

然后，他们查看了参加两项纤维补充剂研究的60 名成年人的样本，并通过调查记录了他们的饮食情况。trnL 检测到的植物数量与根据参与者的调查响应估计的饮食多样性和质量非常一致。

接下来，他们将条形码应用于对 246 名具有不同种族、民族和社会经济背景的肥胖和非肥胖青少年的研究。该队列中只有很少的饮食记录。

“饮食数据收集具有挑战性，因为一些传统调查长达 140 页，需要长达一个小时才能填写，家庭很忙，孩子可能无法独自填写，”David 说。“但因为他们有储存的粪便，我们能够重新分析这些样本，然后收集有关饮食的信息，这些信息可用于更好地了解孩子们的健康和生活方式模式。真正令我震惊的是，我们可以重述已知的事物，并获得可能不那么明显的新见解。”

他们在青少年的饮食中发现了来自 46 个植物科和 72 个物种的 111 种不同标记。超过三分之二的受试者食用四种植物：小麦(96% 的参与者食用)、巧克力(88%)、玉米(87%)和马铃薯家族(71%)，这是一组密切相关的植物，包括土豆和番茄酱。

大卫说，条形码无法区分卷心菜家族(芸苔属)的单个成员，例如西兰花、球芽甘蓝、羽衣甘蓝和花椰菜，它们是密切相关的。

尽管如此，大量的青少年群体表明，高收入研究参与者的饮食多样性更大。然而，青少年年龄越大，水果、蔬菜和全谷物食品的摄入量就越低，这可能是因为年龄较大的孩子与家人一起吃饭的频率较低。

大卫说，条形码很容易识别样本中植物的多样性，作为饮食多样性的代表，这是营养充足和心脏健康的已知标志。

大卫说，在每个队列中，基因组分析都是对过去几年收集的样本进行的，因此该技术为重建已经完成的研究的饮食数据提供了可能性。

作者认为新方法应该为各种人类营养研究带来福音。“由于目前的饮食追踪技术，我们在追踪饮食、参与营养研究或改善自身健康方面受到限制，”大卫说。“现在我们可以利用基因组学来帮助收集世界各地人们饮食的数据，无论年龄、文化程度、文化或健康状况如何。”

该团队预计将该技术扩展到全球范围内的疾病研究，以及监测面临气候不稳定或生态困境的环境中的食物生物多样性。