南京農業大學、西北工業大學等，攜手發Science

來源：南京農業大學、西北工業大學 等

編輯整理 ：雙一流高教

北京時間5月1日，南京農業大學毛勝勇教授團隊聯合中國科學院水生生物研究所、江漢大學、吉林農業大學、西北工業大學等，在Science期刊上發表題為“Rumen ciliates modulate methane emissions in ruminants”的研究論文。該研究解析了瘤胃纖毛蟲調控反芻動物甲烷排放的分子機制，首次發現了一種起源于內膜系統、具有單層膜結構的新型產氫細胞器——氫小體（Hydrogenobody），為研發畜牧業甲烷減排新策略奠定了理論基礎。

全球氣候變暖與溫室效應的加劇密切相關，而溫室效應主要由二氧化碳、甲烷等溫室氣體排放引起。在溫室氣體中，甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，其熱能留置能力約為二氧化碳的23倍。當前，全球甲烷排放增長主要源于人類活動，具體包括畜牧業、水稻種植以及化石能源生產與利用等。其中，牛、羊等反芻動物排放的甲烷約占全球人為甲烷排放總量的30%以上。反芻動物具有四個胃室，其中體積最大的是瘤胃。瘤胃內棲息著細菌、古菌、原蟲（主要為纖毛蟲）和真菌等多類原核及真核微生物，這些微生物通過厭氧發酵生成宿主可利用的營養物質如揮發性脂肪酸，同時也產生大量甲烷。反芻動物的甲烷排放不僅會加劇溫室效應，還會造成飼料能量的巨大損失。

此前，毛勝勇教授團隊構建了全球首個反芻動物胃腸道微生物基因集，闡明了不同胃腸道區段的微生物群落的組成和功能存在異質性的特征，發現氫代謝是瘤胃產甲烷的核心環節（Xie et al. Microbiome, 2021）。在此基礎上，團隊進一步構建了反芻動物胃腸道原核微生物基因組數據庫，揭示了甲烷生成和氫代謝相關菌群的組成。針對瘤胃中重要的產甲烷菌類群——甲烷馬賽球菌目，團隊建立了該目的精準分類體系，分離純化了兩個代表菌株，并闡明了其在“三甲胺—甲烷”路徑中的關鍵作用（Xie et al. Genome Biology, 2024）。在此過程中，團隊發現瘤胃中的纖毛蟲與產甲烷菌及甲烷排放密切相關。然而，盡管瘤胃纖毛蟲長期以來被認為能夠調控反芻動物甲烷排放，但具體機制尚不清楚。在這一背景下，該研究通過多團隊合作，在瘤胃纖毛蟲資源挖掘、新型產氫細胞器的發現以及甲烷排放調控機制等方面取得了重要進展：

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新資源

針對瘤胃纖毛蟲樣品普遍存在多源污染、基因組解析難度大的問題，團隊依托萬種原生生物基因組（P10K）計劃，構建了包含450個基因組的目前全球規模最大的瘤胃纖毛蟲基因組資源庫，明確了瘤胃纖毛蟲由6個科、18個屬構成，并可劃分為“多毛類”（纖毛覆蓋整個細胞）和“少毛類”（纖毛僅分布于細胞口器區域）兩大功能類群。同時，團隊成功建立了3種瘤胃纖毛蟲的厭氧培養體系，突破了瘤胃纖毛蟲難以長期培養的技術瓶頸。

圖1. 瘤胃纖毛蟲基因組目錄（Vest，多毛類；Ento，少毛類）

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新發現

團隊首次在瘤胃纖毛蟲中發現了一種起源于內膜系統、具有單層膜結構的全新產氫細胞器——氫小體（Hydrogenobody），發現氫小體的結構與以往在其他真核生物中發現的起源于線粒體、具有雙層膜的產氫體（Hydrogenosome）顯著不同；發現氫小體內含有獨特的氫化酶和氧還原酶，在生成氫氣與清除進入瘤胃的微量氧氣中發揮著關鍵作用。該方面研究明確了氫小體不僅為瘤胃產甲烷菌生成甲烷提供核心底物，還負責維持瘤胃嚴格的厭氧環境，可作為干預反芻動物甲烷排放的重要靶標。

圖2. 瘤胃纖毛蟲新型產氫細胞器——氫小體（HB，hydrogenobody；CM，cell membrane；EEB，ecto-endoplasmic boundary）

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新機制

基于本研究建立的瘤胃纖毛蟲基因組目錄，團隊對近2000個瘤胃宏組學數據集進行了系統分析，揭示了瘤胃纖毛蟲、產甲烷菌與甲烷排放之間的內在聯系。團隊進一步通過多種手段證實，氫小體主要分布于瘤胃纖毛蟲的纖毛覆蓋區域；其中，多毛類纖毛蟲的氫小體豐度顯著高于少毛類纖毛蟲，差異可達數十倍，對瘤胃產甲烷過程的貢獻也更大，相關結論在體外培養體系中得到驗證。該方面研究闡明了不同類型瘤胃纖毛蟲影響甲烷排放水平的機制，并為明確多毛類纖毛蟲可作為干預反芻動物甲烷排放的關鍵纖毛蟲類群提供了理論依據。

圖3. 瘤胃纖毛蟲影響反芻動物甲烷排放高低的機制

整體而言，本研究挑戰了既有認知，提出了以“氫小體介導的產氫-除氧耦合”為核心的瘤胃纖毛蟲調控甲烷生成的新見解，闡明了不同纖毛蟲差異化影響反芻動物甲烷排放的機制，明確了干預甲烷排放的分子靶標與關鍵纖毛蟲類群。研究為深入理解瘤胃甲烷代謝、挖掘甲烷減排新靶點奠定了基礎，并對研發甲烷減排新策略提供了理論依據。

謝斐、姜傳奇、李志鵬、馮金梅和閆小婷為論文的共同第一作者，繆煒、熊杰、毛勝勇和邱強為共同通訊作者。南京農業大學動物科技學院黃贊教授、金巍教授、朱偉云教授等參與了本研究。該研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院先導專項等項目的資助。此外，研究得到了南京農業大學生物信息高性能計算平臺、中國科學院水生生物研究所分析測試中心、北京大學冷凍電鏡平臺、中國科學院超級計算武漢分中心以及國家水生生物種質資源庫的支持。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv4244