撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

甲烷是一種強(qiáng)效溫室氣體，對(duì)全球變暖有重大影響。反芻動(dòng)物（牛、羊等）在消化過程中通過瘤胃微生物發(fā)酵產(chǎn)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(nóng)業(yè)溫室氣體的主要來源。在反芻動(dòng)物的瘤胃微生物生態(tài)系統(tǒng)中，纖毛蟲占總微生物生物量的 25% 之多，長期以來一直被認(rèn)為會(huì)促進(jìn)甲烷的生成。然而，這些瘤胃中的纖毛蟲促進(jìn)產(chǎn)甲烷的確切機(jī)制一直未明。

構(gòu)建反芻動(dòng)物瘤胃纖毛蟲的全面參考基因組目錄對(duì)于實(shí)現(xiàn)對(duì)其群落結(jié)構(gòu)的高分辨率分析以及闡明其與產(chǎn)甲烷菌和甲烷排放之間的關(guān)聯(lián)至關(guān)重要。這樣的基因組基礎(chǔ)對(duì)于區(qū)分特定纖毛蟲譜系在塑造反芻動(dòng)物甲烷排放方面的不同作用至關(guān)重要。此外，與主要通過代謝變化產(chǎn)生功能多樣性的原核生物不同，真核生物通常通過細(xì)胞結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新來進(jìn)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(xì)胞器來影響甲烷的產(chǎn)生。

2026 年 4 月 30 日，中國科學(xué)院水生生物研究所繆煒、熊杰，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)毛勝勇、西北工業(yè)大學(xué)邱強(qiáng)作為共同通訊作者，中國科學(xué)院水生生物研究所謝斐、姜傳奇，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)李志鵬，江漢大學(xué)馮金梅，西北工業(yè)大學(xué)閆小婷作為共同第一作者，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)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(diào)控反芻動(dòng)物甲烷排放的分子機(jī)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(xì)胞器——Hydrogenobody（氫小體），該研究重塑了關(guān)于瘤胃纖毛蟲在反芻動(dòng)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(shù)（例如抑制前庭目纖毛蟲或干預(yù)氫小體功能）奠定了基礎(chǔ)。

瘤胃纖毛蟲是反芻動(dòng)物腸道甲烷排放的主要貢獻(xiàn)者，但其潛在機(jī)制仍不清楚。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)匯集了 450 個(gè)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(tuán)隊(duì)測量了 100 頭奶牛的甲烷排放量，并分析了近 2000 個(gè)瘤胃宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集。

分析結(jié)果表明，纖毛蟲豐度、產(chǎn)甲烷菌豐度和活性以及甲烷排放量之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。該研究還發(fā)現(xiàn)了一種此前未知的產(chǎn)氫細(xì)胞器，并將其命名為——Hydrogenobody（氫小體），它解釋了纖毛蟲對(duì)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(fā)現(xiàn)的源自線粒體的具有雙層膜的 Hydrogenosome（產(chǎn)氫體）不同。氫小體位于纖毛基體附近，含有獨(dú)特的氫化酶和氧還原酶。前庭目纖毛蟲的氫小體數(shù)量明顯多于內(nèi)毛目纖毛蟲，這與前庭目纖毛蟲更大的纖毛覆蓋面積相關(guān)。這種結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致了更高的產(chǎn)氫和氧清除能力，從而更顯著地促進(jìn)了甲烷生成。

氫小體

瘤胃纖毛蟲驅(qū)動(dòng)甲烷產(chǎn)生的機(jī)制模型

總的來說，這項(xiàng)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(chǎn)氫細(xì)胞器，它將纖毛蟲的細(xì)胞活動(dòng)與甲烷排放聯(lián)系起來，并揭示了反芻動(dòng)物中由纖毛蟲驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)甲烷作用的機(jī)制基礎(chǔ)。

論文鏈接：

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