Science | 我國科學家發(fā)現(xiàn)瘤胃纖毛蟲調(diào)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(lián)合南京農(nóng)業(yè)大學、江漢大學、吉林農(nóng)業(yè)大學、西北工業(yè)大學等，在Science期刊發(fā)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(diào)控反芻動物甲烷排放的分子機制，首次發(fā)現(xiàn)了一種起源于內(nèi)膜系統(tǒng)、具有單層膜結構的新型產(chǎn)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(fā)基于纖毛蟲的畜牧業(yè)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(yè)、水稻種植、化石能源生產(chǎn)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(huán)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(nèi)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(fā)酵降解和消化飼草中的纖維等成分，產(chǎn)生宿主可利用的營養(yǎng)物質(zhì)。與此同時，發(fā)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(chǎn)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(diào)控反芻動物的甲烷排放，但其具體機制尚不清楚。系統(tǒng)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(chǎn)氫細胞器的發(fā)現(xiàn)以及甲烷排放調(diào)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(fā)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(qū)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(yǎng)方法，并建立了活體種質(zhì)資源，為本研究的順利開展奠定了堅實基礎。

2）新發(fā)現(xiàn)：在瘤胃纖毛蟲中首次發(fā)現(xiàn)了一種起源于內(nèi)膜系統(tǒng)、具有單層膜的新型產(chǎn)氫細胞器——Hydrogenobody（氫小體）。該結構與以往在其他真核生物中發(fā)現(xiàn)的、起源于線粒體且具有雙層膜的Hydrogenosome（產(chǎn)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(fā)揮關鍵作用，為瘤胃產(chǎn)甲烷菌提供底物并維持厭氧環(huán)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(shù)據(jù)進行分析，揭示了纖毛蟲、產(chǎn)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(qū)域，使得多毛類纖毛蟲的氫小體豐度遠高于少毛類（相差數(shù)十倍），其對瘤胃產(chǎn)甲烷的貢獻也顯著大于少毛類。該結論通過培養(yǎng)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(zhàn)了既有認知，提出了以“氫小體介導的產(chǎn)氫-除氧耦合”為核心的瘤胃纖毛蟲調(diào)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(yè)實現(xiàn)“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(nóng)業(yè)大學生物信息高性能計算平臺以及國家水生生物種質(zhì)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(chǎn)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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