Science：我國學者發現調控反芻動物甲烷排放的新型細胞器——氫小體

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

甲烷是一種強效溫室氣體，對全球變暖有重大影響。反芻動物（牛、羊等）在消化過程中通過瘤胃微生物發酵產生大量甲烷，其排放量占全球人為甲烷排放總量的 30% 以上，是農業溫室氣體的主要來源。在反芻動物的瘤胃微生物生態系統中，纖毛蟲占總微生物生物量的 25% 之多，長期以來一直被認為會促進甲烷的生成。然而，這些瘤胃中的纖毛蟲促進產甲烷的確切機制一直未明。

構建反芻動物瘤胃纖毛蟲的全面參考基因組目錄對于實現對其群落結構的高分辨率分析以及闡明其與產甲烷菌和甲烷排放之間的關聯至關重要。這樣的基因組基礎對于區分特定纖毛蟲譜系在塑造反芻動物甲烷排放方面的不同作用至關重要。此外，與主要通過代謝變化產生功能多樣性的原核生物不同，真核生物通常通過細胞結構的創新來進化。作為真核生物，瘤胃纖毛蟲可能不僅通過代謝途徑，而且——或許更重要的是——通過一種特殊的細胞器來影響甲烷的產生。

2026 年 4 月 30 日，中國科學院水生生物研究所繆煒、熊杰，南京農業大學毛勝勇、西北工業大學邱強作為共同通訊作者，中國科學院水生生物研究所謝斐、姜傳奇，吉林農業大學李志鵬，江漢大學馮金梅，西北工業大學閆小婷作為共同第一作者，在國際頂尖學術期刊Science上發表了題為：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），該研究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（例如抑制前庭目纖毛蟲或干預氫小體功能）奠定了基礎。

瘤胃纖毛蟲是反芻動物腸道甲烷排放的主要貢獻者，但其潛在機制仍不清楚。

在這項最新研究中，研究團隊匯集了 450 個瘤胃纖毛蟲基因組目錄，其中 87% 是新測序的。利用這一資源，研究團隊測量了 100 頭奶牛的甲烷排放量，并分析了近 2000 個瘤胃宏基因組和宏轉錄組數據集。

分析結果表明，纖毛蟲豐度、產甲烷菌豐度和活性以及甲烷排放量之間存在很強的相關性。該研究還發現了一種此前未知的產氫細胞器，并將其命名為——Hydrogenobody（氫小體），它解釋了纖毛蟲對甲烷生成的分類特異性影響。氫小體由單層膜包裹，這與以往在其他真核生物中發現的源自線粒體的具有雙層膜的 Hydrogenosome（產氫體）不同。氫小體位于纖毛基體附近，含有獨特的氫化酶和氧還原酶。前庭目纖毛蟲的氫小體數量明顯多于內毛目纖毛蟲，這與前庭目纖毛蟲更大的纖毛覆蓋面積相關。這種結構上的差異導致了更高的產氫和氧清除能力，從而更顯著地促進了甲烷生成。

氫小體

瘤胃纖毛蟲驅動甲烷產生的機制模型

總的來說，這項研究為瘤胃纖毛蟲提供了全面的基因組資源，揭示了一種新型產氫細胞器，它將纖毛蟲的細胞活動與甲烷排放聯系起來，并揭示了反芻動物中由纖毛蟲驅動的產甲烷作用的機制基礎。

論文鏈接：

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