致病菌是指能侵入宿主并引起宿主感染的一类微生物,其包括细菌、病毒、螺旋体、真菌等。据2017年世界卫生组织统计,每年有超过数百万人因感染致病菌死亡。尽管致病菌有很久的历史,伴随着人类的起源而进化。但直到现在,很多致病菌的基因组结构、致病机制、宿主适应以及进化历史等都是不太清楚的。古DNA具有很大的潜力来研究古代的致病菌,理论上来说,在宿主死亡后,任何能侵入血液系统或硬组织的致病菌都可能在骨骼残骸上留下痕迹。通过对DNA的检测可用于鉴定感染的致病菌和可能的死亡原因。此外古DNA具有时间戳的特征,能校准分子钟用于研究致病菌的进化历史。更重要的是,通过构建古代致病菌的基因组能在基因组水平与现代致病菌进行比较基因组学研究,能够推测致病毒力进化过程以及宿主适应过程。因此,研究古代致病菌具有很重要的意义。在中国历史上,有多次致病菌的记载,在古代殷墟甲骨文已有「虫」、「蛊」、「疟疾」、「疾年」等文字的记载。根据张志斌先生统计的中国古代疫病流行年表,可以看出至少有上千次的疫病发生在古代中国。这些疫病是什么致病菌引起的以及怎么传播的至今仍然是未解之谜。新疆地处欧亚大陆的交通要道,东西方文明曾在这里碰撞,同时也是丝绸之路的必经之地。频繁的人群交流促进了致病菌的传播。因此,研究中国新疆地区的致病菌对于了解东西方人群的交流以及追溯致病菌的起源和传播都有重要的意义。DNA测序技术的进步,使得对古代遗骸中的人和微生物进行全基因组测序成为可能。获得的古代样本全基因组数据中不仅包含人类的基因组信息还有大量来自于环境中的微生物以及少量的致病菌信息。如何检测这些致病菌是一个重要的挑战。为了找到合适的致病菌筛查工具,本研究对比了多种宏基因组工具,从不同角度考量了适用于古代致病菌研究的工具。通过比较后,本研究选出了最合适的筛查方案,并构建了致病菌筛查数据库。本研究对新疆泉儿沟遗址、石人子沟遗址、阿拉沟遗址、鱼儿沟遗址、库车遗址共48例样本进行致病菌筛查,从而在泉儿沟遗址中发现了引起肠炎的沙门氏菌。这表明至少在3000年前在新疆已经出现了沙门氏菌流行病。该发现可能为泉儿沟遗址中未成年个体高死亡率的现象提供了一种可能的解释,此外,这项研究填补了古致病菌基因组研究在中国的空白。为获得高质量的致病菌基因组用于下游分析,本研究自主设计探针,包含了沙门氏菌的各个亚型,去除同源性序列,去除高GC区域,探针长度设为100bp,最后共设计了 92710条探针。研究采用液相探针富集的方法对筛查到的沙门氏菌进行靶向富集,得到了 6个古代沙门氏菌基因组序列。研究分析了探针的有效性,比较了捕获前后的内源沙门氏菌DNA含量的变化,捕获效率约达到35-274倍。将这些古代基因组和现代沙门氏菌基因组进行系统发育分析,发现我们的古代样本大多聚在一起,古代样本所处的分支属于现代丙型副伤寒沙门氏菌、猪霍乱沙门氏菌和猪伤寒沙门氏菌的祖先分支,这些分支被称为Para C谱系。本研究进一步选取了基因组覆盖率达到3X以上的两个个体XBQM90和XBQM20进行下游分析。本研究重新构建了沙门氏菌Para C谱系并对沙门氏菌的每个致病岛(Salmonella Pathogenicity Islands简称为SPI)进行了研究,我们发现SPI-6和SPI-7在古代样本和现代样本中有明显的差异。本研究将沙门氏菌确认出现SPI-7的时间提前到了 3000年前。微生物宿主适应与假基因的累积有关,本研究基于基因组中终止密码子提前和移码突变的出现计算了古代沙门氏菌的假基因频率,通过比较无宿主适应性的沙门氏菌和强宿主选择性的沙门氏菌的假基因频率,结合古代沙门氏菌所处的系统发育位置,从而得出古代的沙门氏菌属于人猪共患类型。结合了新疆历史时期人群驯养动物的情况,该地区并没有猪的出现,进一步说明这些沙门氏菌可能来源于别的区域。为深入探究欧亚大陆致病菌的进化模式和传播历史。本研究进一步探究了新疆地区泉儿沟遗址的人群来源,主成分分析、f3检验、f4检验和Admixture分析以及qpAdm分析均表明新疆泉儿沟遗址人群属于欧亚大陆东西方谱系的混合人群,西部谱系的来源应是欧亚西部的草原人群。结合已发表数据,欧亚草原西部新石器晚期和青铜早期的沙门氏菌在系统发育的位置上属于本研究古代菌株的祖先分支,我们推测新疆泉儿沟遗址发现的沙门氏菌可能由草原人群迁移带来的。将来,有必要从不同时间段和不同地理区域对骨骼材料进行进一步采样,开展更多的古代致病菌筛查,这将有助于增进我们对肠炎沙门氏菌传播的了解。