植物DNA metabarcoding方法是對植物葉綠體DNA中的trnL(UAA)-P6 marker進(jìn)行擴(kuò)增并測序，該marker長度短且引物高度保守，具有種間差異，先前已有實(shí)驗(yàn)證明它能從人類糞便樣本中鑒定植物DNA，因此在本文的研究中，作者用該方案來處理人類糞便樣本進(jìn)行后續(xù)的meta分析。

一項(xiàng)發(fā)表在PNAS的研究發(fā)現(xiàn)：植物DNA metabarcoding可識(shí)別人類糞便中的植物物質(zhì)，從而揭示一個(gè)人吃了什么，還可以顯示相對量。這項(xiàng)技術(shù)可以改善臨床試驗(yàn)、營養(yǎng)研究等。

DNA metabarcoding：這是一種基于擴(kuò)增子的測序技術(shù)，通過含有DNA barcodes的參考數(shù)據(jù)庫得到物種信息，應(yīng)用于動(dòng)物學(xué)、微生物群落生態(tài)學(xué)和環(huán)境DNA研究。

杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院(Duke School of Medicine)分子遺傳學(xué)和微生物學(xué)副教授Lawrence David實(shí)驗(yàn)室的研究人員，在早期試圖將糞便中發(fā)現(xiàn)的DNA與報(bào)告的飲食進(jìn)行比較的研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種可以從糞便中提取的植物性食物的遺傳標(biāo)記。

“我們可以在事實(shí)發(fā)生后回過頭來檢測他們吃了什么食物。”

這個(gè)標(biāo)記是植物用來給葉綠體提供能量的DNA區(qū)域，葉綠體是將陽光轉(zhuǎn)化為糖的細(xì)胞器。每種植物都有這個(gè)叫做trnL-P6的基因組區(qū)域，但不同物種之間略有不同。在一系列實(shí)驗(yàn)中，他們對來自五項(xiàng)不同研究的324名參與者的1000多個(gè)糞便樣本進(jìn)行了標(biāo)記物測試，其中約20人有高質(zhì)量的飲食記錄。

在6月27日發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的研究結(jié)果中，研究人員表明，這些DNA標(biāo)記不僅可以表明食用了什么，還可以表明某些食物種類的相對數(shù)量，而且糞便中發(fā)現(xiàn)的植物DNA的多樣性根據(jù)一個(gè)人的飲食、年齡和家庭收入而變化。

實(shí)驗(yàn)室依靠一個(gè)膳食植物參考數(shù)據(jù)庫，其中包含468種美國人通常食用的物種的標(biāo)記，將糞便中檢測到的trnL-P6版本與特定的植物來源聯(lián)系起來。經(jīng)過一些調(diào)整，他們的條形碼能夠區(qū)分83%的主要作物家族。

Petrone說，目前無法檢測到的作物家族的子集往往在世界其他地區(qū)消費(fèi)。該實(shí)驗(yàn)室目前正在努力將珍珠粟和毛蕊堅(jiān)果等作物添加到他們的數(shù)據(jù)庫中。

David說，他們還沒有追蹤肉類攝入量，盡管這項(xiàng)技術(shù)也能做到這一點(diǎn)。“植物與動(dòng)物攝入量的相對比例可能是我們可能考慮的最重要的營養(yǎng)因素之一。”

科學(xué)家們首先在減肥干預(yù)中對四個(gè)人的糞便樣本進(jìn)行了標(biāo)記，他們確切地知道研究參與者在一兩天前吃了什么。例如，在知道病人吃了一種叫做蘑菇野飯的菜之后，他們尋找了其中成分的標(biāo)記:野米、白米、波多貝羅蘑菇、洋蔥、山核桃、百里香、歐芹和鼠尾草。

在這個(gè)和第二個(gè)干預(yù)組中，他們發(fā)現(xiàn)條形碼不僅可以識(shí)別植物，還可以識(shí)別某些植物的相對消費(fèi)量。佩特隆說:“當(dāng)膳食中含有大量谷物或漿果時(shí)，我們也在糞便中發(fā)現(xiàn)了更多來自這些植物的trl。”

然后，他們觀察了60名成年人的樣本，這些成年人參加了兩項(xiàng)關(guān)于纖維補(bǔ)充的研究，并通過調(diào)查記錄了他們的飲食。trnL檢測到的植物數(shù)量與參與者調(diào)查反應(yīng)估計(jì)的膳食多樣性和質(zhì)量很好地一致。

接下來，他們將條形碼應(yīng)用于246名不同種族、民族和社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景的青少年，這些青少年有肥胖或沒有肥胖。在這個(gè)隊(duì)列中只有很少的飲食記錄。

David說:“飲食數(shù)據(jù)的收集具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橐恍﹤鹘y(tǒng)的調(diào)查長達(dá)140頁，填寫時(shí)間長達(dá)一個(gè)小時(shí)，家庭很忙，孩子可能無法獨(dú)自填寫。”“但是因?yàn)樗麄冇屑S便，我們能夠重新分析這些樣本，然后收集有關(guān)飲食的信息，這些信息可以用來更好地了解孩子們的健康和生活方式模式。”真正讓我印象深刻的是，我們可以總結(jié)已知的東西，從而獲得可能不那么明顯的新見解。”

他們在青少年的飲食中發(fā)現(xiàn)了來自46個(gè)植物科和72個(gè)物種的111種不同的標(biāo)記。超過三分之二的研究對象食用了四種植物:小麥(96%)、巧克力(88%)、玉米(87%)和馬鈴薯家族(71%)，馬鈴薯家族是一組關(guān)系密切的植物，包括土豆和番茄。

David說，這種條形碼無法區(qū)分甘藍(lán)家族的單個(gè)成員，比如西蘭花、抱子甘藍(lán)、羽衣甘藍(lán)和花椰菜，這些都是近親。

盡管如此，大量的青少年隊(duì)列顯示，高收入的研究參與者的飲食多樣性更大。然而，年齡越大的青少年攝入的水果、蔬菜和全谷物食品就越少，這可能是因?yàn)槟挲g越大的孩子與家人一起吃飯的頻率越低。

條形碼可以很容易地識(shí)別出樣本中植物的多樣性，作為飲食多樣性的代表，這是營養(yǎng)充足和心臟健康的已知標(biāo)志。

David說，在每一個(gè)隊(duì)列中，基因組分析都是在過去幾年收集的樣本上進(jìn)行的，所以這項(xiàng)技術(shù)為已經(jīng)完成的研究提供了重建飲食數(shù)據(jù)的可能性。

作者認(rèn)為，這種新方法對各種各樣的人類營養(yǎng)研究都是一個(gè)福音。 David說:“由于目前追蹤飲食的技術(shù)，我們在追蹤飲食、參與營養(yǎng)研究或改善自身健康方面受到限制。”“現(xiàn)在，我們可以利用基因組學(xué)來幫助收集世界各地人們的飲食數(shù)據(jù)，而不考慮年齡、文化、文化或健康狀況的差異。”

該小組期望將該技術(shù)擴(kuò)展到全球疾病研究，以及在面臨氣候不穩(wěn)定或生態(tài)窘迫的環(huán)境中監(jiān)測糧食生物多樣性。

文章參考：

Diversity of Plant DNA in Stool is Linked to Dietary Quality, Age and Household Income