北京时间5月1日，南京农业大学毛胜勇教授团队联合中国科学院水生生物研究所、江汉大学、吉林农业大学、西北工业大学等，在Science期刊上发表题为“Rumen ciliates modulate methane emissions in ruminants”的研究论文。该研究解析了瘤胃纤毛虫调控反刍动物甲烷排放的分子机制，首次发现了一种起源于内膜系统、具有单层膜结构的新型产氢细胞器——氢小体（Hydrogenobody），为研发畜牧业甲烷减排新策略奠定了理论基础。
全球气候变暖与温室效应的加剧密切相关，而温室效应主要由二氧化碳、甲烷等温室气体排放引起。在温室气体中，甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，其热能留置能力约为二氧化碳的23倍。当前，全球甲烷排放增长主要源于人类活动，具体包括畜牧业、水稻种植以及化石能源生产与利用等。其中，牛、羊等反刍动物排放的甲烷约占全球人为甲烷排放总量的30%以上。反刍动物具有四个胃室，其中体积最大的是瘤胃。瘤胃内栖息着细菌、古菌、原虫（主要为纤毛虫）和真菌等多类原核及真核微生物，这些微生物通过厌氧发酵生成宿主可利用的营养物质如挥发性脂肪酸，同时也产生大量甲烷。反刍动物的甲烷排放不仅会加剧温室效应，还会造成饲料能量的巨大损失。
此前，毛胜勇教授团队构建了全球首个反刍动物胃肠道微生物基因集，阐明了不同胃肠道区段的微生物群落的组成和功能存在异质性的特征，发现氢代谢是瘤胃产甲烷的核心环节（Xie et al. Microbiome, 2021）。在此基础上，团队进一步构建了反刍动物胃肠道原核微生物基因组数据库，揭示了甲烷生成和氢代谢相关菌群的组成。针对瘤胃中重要的产甲烷菌类群——甲烷马赛球菌目，团队建立了该目的精准分类体系，分离纯化了两个代表菌株，并阐明了其在“三甲胺—甲烷”路径中的关键作用（Xie et al. Genome Biology, 2024）。在此过程中，团队发现瘤胃中的纤毛虫与产甲烷菌及甲烷排放密切相关。然而，尽管瘤胃纤毛虫长期以来被认为能够调控反刍动物甲烷排放，但具体机制尚不清楚。在这一背景下，该研究通过多团队合作，在瘤胃纤毛虫资源挖掘、新型产氢细胞器的发现以及甲烷排放调控机制等方面取得了重要进展：
1新资源
针对瘤胃纤毛虫样品普遍存在多源污染、基因组解析难度大的问题，团队依托万种原生生物基因组（P10K）计划，构建了包含450个基因组的目前全球规模最大的瘤胃纤毛虫基因组资源库，明确了瘤胃纤毛虫由6个科、18个属构成，并可划分为“多毛类”（纤毛覆盖整个细胞）和“少毛类”（纤毛仅分布于细胞口器区域）两大功能类群。同时，团队成功建立了3种瘤胃纤毛虫的厌氧培养体系，突破了瘤胃纤毛虫难以长期培养的技术瓶颈。
图1. 瘤胃纤毛虫基因组目录（Vest，多毛类；Ento，少毛类）
2新发现
团队首次在瘤胃纤毛虫中发现了一种起源于内膜系统、具有单层膜结构的全新产氢细胞器——氢小体（Hydrogenobody），发现氢小体的结构与以往在其他真核生物中发现的起源于线粒体、具有双层膜的产氢体（Hydrogenosome）显著不同；发现氢小体内含有独特的氢化酶和氧还原酶，在生成氢气与清除进入瘤胃的微量氧气中发挥着关键作用。该方面研究明确了氢小体不仅为瘤胃产甲烷菌生成甲烷提供核心底物，还负责维持瘤胃严格的厌氧环境，可作为干预反刍动物甲烷排放的重要靶标。
图2. 瘤胃纤毛虫新型产氢细胞器——氢小体（HB，hydrogenobody；CM，cell membrane；EEB，ecto-endoplasmic boundary）
3新机制
基于本研究建立的瘤胃纤毛虫基因组目录，团队对近2000个瘤胃宏组学数据集进行了系统分析，揭示了瘤胃纤毛虫、产甲烷菌与甲烷排放之间的内在联系。团队进一步通过多种手段证实，氢小体主要分布于瘤胃纤毛虫的纤毛覆盖区域；其中，多毛类纤毛虫的氢小体丰度显著高于少毛类纤毛虫，差异可达数十倍，对瘤胃产甲烷过程的贡献也更大，相关结论在体外培养体系中得到验证。该方面研究阐明了不同类型瘤胃纤毛虫影响甲烷排放水平的机制，并为明确多毛类纤毛虫可作为干预反刍动物甲烷排放的关键纤毛虫类群提供了理论依据。
图3. 瘤胃纤毛虫影响反刍动物甲烷排放高低的机制
整体而言，本研究挑战了既有认知，提出了以“氢小体介导的产氢-除氧耦合”为核心的瘤胃纤毛虫调控甲烷生成的新见解，阐明了不同纤毛虫差异化影响反刍动物甲烷排放的机制，明确了干预甲烷排放的分子靶标与关键纤毛虫类群。研究为深入理解瘤胃甲烷代谢、挖掘甲烷减排新靶点奠定了基础，并对研发甲烷减排新策略提供了理论依据。
谢斐、姜传奇、李志鹏、冯金梅和闫小婷为论文的共同第一作者，缪炜、熊杰、毛胜勇和邱强为共同通讯作者。南京农业大学动物科技学院黄赞教授、金巍教授、朱伟云教授等参与了本研究。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导专项等项目的资助。此外，研究得到了南京农业大学生物信息高性能计算平台、中国科学院水生生物研究所分析测试中心、北京大学冷冻电镜平台、中国科学院超级计算武汉分中心以及国家水生生物种质资源库的支持。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv4244
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