Science | 我國科學家發現瘤胃纖毛蟲調控反芻動物甲烷排放的新機制

2026年5月1日，中國科學院水生生物研究所聯合南京農業大學、江漢大學、吉林農業大學、西北工業大學等，在Science期刊發表題為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——Hydrogenobody（氫小體），重塑了關于瘤胃纖毛蟲在反芻動物甲烷排放中作用的理解，為開發基于纖毛蟲的畜牧業甲烷減排策略與技術奠定了基礎。

全球溫室效應主要由二氧化碳和甲烷等溫室氣體排放導致。甲烷是第二大溫室氣體，其熱能留置能力是二氧化碳的23倍。當前，全球甲烷排放的增加主要源于人類活動，如畜牧業、水稻種植、化石能源生產與利用等，其中牛、羊等反芻動物排放的甲烷占全球人為甲烷排放量的30%以上。反芻動物排放的甲烷不僅造成環境污染，也會導致飼料能量的損失。反芻動物擁有四個胃，瘤胃是其中最大的一個。瘤胃內共生著細菌、古菌、原蟲（主要是纖毛蟲）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降解和消化飼草中的纖維等成分，產生宿主可利用的營養物質。與此同時，發酵過程也會生成大量甲烷，成為反芻動物甲烷排放的主要來源。纖毛蟲在瘤胃微生物量中占比最高可達50%左右，其與產甲烷菌及甲烷排放密切相關。盡管瘤胃纖毛蟲長期以來被認為能夠調控反芻動物的甲烷排放，但其具體機制尚不清楚。系統解析反芻家畜胃腸道微生物的甲烷代謝機制，瘤胃纖毛蟲是不可或缺且必須攻克的關鍵。

在這一背景下，本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：

1）新資源：針對瘤胃纖毛蟲樣品普遍存在多種污染的難點，依托萬種原生生物基因組（P10K）計劃，開發了瘤胃纖毛蟲基因組去污染技術，進而建立了目前最大的瘤胃纖毛蟲基因組資源庫（450個），將其分為多毛（纖毛覆蓋整個細胞）和少毛（纖毛僅覆蓋細胞口器區域）兩大類，涵蓋6科18屬。研究突破了3種瘤胃纖毛蟲的厭氧培養方法，并建立了活體種質資源，為本研究的順利開展奠定了堅實基礎。

2）新發現：在瘤胃纖毛蟲中首次發現了一種起源于內膜系統、具有單層膜的新型產氫細胞器——Hydrogenobody（氫小體）。該結構與以往在其他真核生物中發現的、起源于線粒體且具有雙層膜的Hydrogenosome（產氫體）截然不同。氫小體中含有獨特的氫化酶和氧還原酶，在氫氣生成和清除進入瘤胃的氧氣中發揮關鍵作用，為瘤胃產甲烷菌提供底物并維持厭氧環境，可作為干預反芻動物甲烷排放的分子靶標。

3）新機制：基于瘤胃纖毛蟲基因組目錄，對近兩千個宏組學數據進行分析，揭示了纖毛蟲、產甲烷菌與甲烷排放之間的強相關性。研究闡明了不同瘤胃纖毛蟲影響反芻動物甲烷排放高低的機制：氫小體分布于纖毛蟲細胞中纖毛覆蓋的區域，使得多毛類纖毛蟲的氫小體豐度遠高于少毛類（相差數十倍），其對瘤胃產甲烷的貢獻也顯著大于少毛類。該結論通過培養體系得到了驗證。因此，多毛類纖毛蟲可作為干預反芻動物甲烷排放的靶標纖毛蟲物種。

整體而言，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新路徑，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、挖掘減排新靶點奠定了基礎，對推動畜牧業實現“碳減排”目標具有重要意義。

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。研究得到了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、南京農業大學生物信息高性能計算平臺以及國家水生生物種質資源庫的支持。

圖1. 瘤胃纖毛蟲影響反芻動物甲烷排放高低的機制

圖2. 瘤胃纖毛蟲基因組目錄（Vest，多毛類；Ento，少毛類）

圖3. 瘤胃纖毛蟲新型產氫細胞器——氫小體（HB，hydrogenobody；CM，cell membrane；EEB，ecto-endoplasmic boundary）

原文鏈接：http://doi.org/10.1126/science.adv4244

制版人： 十一

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