飲食攝入追蹤器——植物DNA metabarcoding

植物DNA metabarcoding方法是對植物葉綠體DNA中的trnL(UAA)-P6 marker進行擴增并測序，該marker長度短且引物高度保守，具有種間差異，先前已有實驗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行后續的meta分析。

一項發表在PNAS的研究發現：植物DNA metabarcoding可識別人類糞便中的植物物質，從而揭示一個人吃了什么，還可以顯示相對量。這項技術可以改善臨床試驗、營養研究等。

DNA metabarcoding：這是一種基于擴增子的測序技術，通過含有DNA barcodes的參考數據庫得到物種信息，應用于動物學、微生物群落生態學和環境DNA研究。

杜克大學醫學院(Duke School of Medicine)分子遺傳學和微生物學副教授Lawrence David實驗室的研究人員，在早期試圖將糞便中發現的DNA與報告的飲食進行比較的研究基礎上，開發了一種可以從糞便中提取的植物性食物的遺傳標記。

“我們可以在事實發生后回過頭來檢測他們吃了什么食物?！?/p>

這個標記是植物用來給葉綠體提供能量的DNA區域，葉綠體是將陽光轉化為糖的細胞器。每種植物都有這個叫做trnL-P6的基因組區域，但不同物種之間略有不同。在一系列實驗中，他們對來自五項不同研究的324名參與者的1000多個糞便樣本進行了標記物測試，其中約20人有高質量的飲食記錄。

在6月27日發表在《美國國家科學院院刊》上的研究結果中，研究人員表明，這些DNA標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量，而且糞便中發現的植物DNA的多樣性根據一個人的飲食、年齡和家庭收入而變化。

實驗室依靠一個膳食植物參考數據庫，其中包含468種美國人通常食用的物種的標記，將糞便中檢測到的trnL-P6版本與特定的植物來源聯系起來。經過一些調整，他們的條形碼能夠區分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消費。該實驗室目前正在努力將珍珠粟和毛蕊堅果等作物添加到他們的數據庫中。

David說，他們還沒有追蹤肉類攝入量，盡管這項技術也能做到這一點。“植物與動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因素之一?！?/p>

科學家們首先在減肥干預中對四個人的糞便樣本進行了標記，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。

在這個和第二個干預組中，他們發現條形碼不僅可以識別植物，還可以識別某些植物的相對消費量。佩特隆說:“當膳食中含有大量谷物或漿果時，我們也在糞便中發現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關于纖維補充的研究，并通過調查記錄了他們的飲食。trnL檢測到的植物數量與參與者調查反應估計的膳食多樣性和質量很好地一致。

接下來，他們將條形碼應用于246名不同種族、民族和社會經濟背景的青少年，這些青少年有肥胖或沒有肥胖。在這個隊列中只有很少的飲食記錄。

David說:“飲食數據的收集具有挑戰性，因為一些傳統的調查長達140頁，填寫時間長達一個小時，家庭很忙，孩子可能無法獨自填寫?！薄暗且驗樗麄冇屑S便，我們能夠重新分析這些樣本，然后收集有關飲食的信息，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?！闭嬲屛矣∠笊羁痰氖?，我們可以總結已知的東西，從而獲得可能不那么明顯的新見解?！?/p>

他們在青少年的飲食中發現了來自46個植物科和72個物種的111種不同的標記。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系密切的植物，包括土豆和番茄。

David說，這種條形碼無法區分甘藍家族的單個成員，比如西蘭花、抱子甘藍、羽衣甘藍和花椰菜，這些都是近親。

盡管如此，大量的青少年隊列顯示，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，這可能是因為年齡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，這是營養充足和心臟健康的已知標志。

David說，在每一個隊列中，基因組分析都是在過去幾年收集的樣本上進行的，所以這項技術為已經完成的研究提供了重建飲食數據的可能性。

作者認為，這種新方法對各種各樣的人類營養研究都是一個福音。 David說:“由于目前追蹤飲食的技術，我們在追蹤飲食、參與營養研究或改善自身健康方面受到限制?！薄艾F在，我們可以利用基因組學來幫助收集世界各地人們的飲食數據，而不考慮年齡、文化、文化或健康狀況的差異?！?/p>

該小組期望將該技術擴展到全球疾病研究，以及在面臨氣候不穩定或生態窘迫的環境中監測糧食生物多樣性。

文章參考：

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