南京農(nóng)業(yè)大學、西北工業(yè)大學等，攜手發(fā)Science

來源：南京農(nóng)業(yè)大學、西北工業(yè)大學 等

編輯整理 ：雙一流高教

北京時間5月1日，南京農(nóng)業(yè)大學毛勝勇教授團隊聯(lián)合中國科學院水生生物研究所、江漢大學、吉林農(nóng)業(yè)大學、西北工業(yè)大學等，在Science期刊上發(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(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)氫細胞器——氫小體（Hydrogenobody），為研發(fā)畜牧業(yè)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(guān)，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(yè)、水稻種植以及化石能源生產(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(nèi)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(fā)酵生成宿主可利用的營養(yǎng)物質(zhì)如揮發(fā)性脂肪酸，同時也產(chǎn)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(gòu)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(qū)段的微生物群落的組成和功能存在異質(zhì)性的特征，發(fā)現(xiàn)氫代謝是瘤胃產(chǎn)甲烷的核心環(huán)節(jié)（Xie et al. Microbiome, 2021）。在此基礎上，團隊進一步構(gòu)建了反芻動物胃腸道原核微生物基因組數(shù)據(jù)庫，揭示了甲烷生成和氫代謝相關(guān)菌群的組成。針對瘤胃中重要的產(chǎn)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(guān)鍵作用（Xie et al. Genome Biology, 2024）。在此過程中，團隊發(fā)現(xiàn)瘤胃中的纖毛蟲與產(chǎn)甲烷菌及甲烷排放密切相關(guān)。然而，盡管瘤胃纖毛蟲長期以來被認為能夠調(diào)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(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：

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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(gòu)建了包含450個基因組的目前全球規(guī)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(gòu)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(qū)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(yǎng)體系，突破了瘤胃纖毛蟲難以長期培養(yǎng)的技術(shù)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(fā)現(xiàn)

團隊首次在瘤胃纖毛蟲中發(fā)現(xiàn)了一種起源于內(nèi)膜系統(tǒng)、具有單層膜結(jié)構(gòu)的全新產(chǎn)氫細胞器——氫小體（Hydrogenobody），發(fā)現(xiàn)氫小體的結(jié)構(gòu)與以往在其他真核生物中發(fā)現(xiàn)的起源于線粒體、具有雙層膜的產(chǎn)氫體（Hydrogenosome）顯著不同；發(fā)現(xiàn)氫小體內(nèi)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(fā)揮著關(guān)鍵作用。該方面研究明確了氫小體不僅為瘤胃產(chǎn)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(huán)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(chǎn)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(shù)據(jù)集進行了系統(tǒng)分析，揭示了瘤胃纖毛蟲、產(chǎn)甲烷菌與甲烷排放之間的內(nèi)在聯(lián)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(qū)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(shù)十倍，對瘤胃產(chǎn)甲烷過程的貢獻也更大，相關(guān)結(jié)論在體外培養(yǎng)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(guān)鍵纖毛蟲類群提供了理論依據(jù)。

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(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(guān)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(fā)甲烷減排新策略提供了理論依據(jù)。

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(nóng)業(yè)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(fā)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(nóng)業(yè)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(zhì)資源庫的支持。

論文鏈接：

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