水生所揭示反刍动物甲烷排放“推手”
水生所揭示反刍动物甲烷排放“推手”
牛羊等反刍动物排放的甲烷，究竟由谁在背后“推了一把”？长期被认为与甲烷排放密切相关的瘤胃纤毛虫，如今有了更清晰的作用机制。 4月30日，中国科学院水生生物研究所牵头开展联合攻关，阐明了瘤胃纤毛虫调控反刍动物甲烷排放的机制，并在瘤胃纤毛虫资源、新型产氢细胞器发现和调控甲烷排放机制等方面取得了系列原创性重大突破，相关研究成果发表于《科学》杂志。
中国科学院水生所研究员缪炜（右一）及研究团队。李思辉摄
据悉，甲烷是第二大温室气体。全球甲烷排放的增加主要源于人类活动，如畜牧业、水稻种植、化石能源生产与利用等，其中，牛、羊等反刍动物排放的甲烷占全球人为甲烷排放量的30%以上。反刍动物甲烷主要源于瘤胃微生物厌氧发酵产生，其中原生动物纤毛虫在瘤胃微生物总量占比最高可达50%。长期以来，学界普遍认为瘤胃纤毛虫与反刍动物甲烷排放密切相关，但其内在调控机制并不清楚。
针对瘤胃纤毛虫样品通常具有多种污染的难点，研究团队依托“万种原生生物基因组计划（P10K）”，开发了瘤胃纤毛虫基因组去污染技术，建成目前最大的瘤胃纤毛虫基因组资源库。该资源库包含450个基因组，分为多毛类和少毛类两大类，涵盖6科18属。同时，团队建立了3种瘤胃纤毛虫的体外厌氧培养方法和活体种质资源，为研究顺利开展奠定了基础。
研究团队还在瘤胃纤毛虫体内首次发现了一种起源于内膜系统、具有单层膜的新型产氢细胞器——氢小体。它与以往在其他真核生物中发现的、起源于线粒体且具有双层膜的产氢体截然不同。氢小体中含有瘤胃纤毛虫独有的氢化酶和氧还原酶，可在氢气生成和去除进入瘤胃的氧气过程中发挥关键作用，为产甲烷菌提供产甲烷底物和厌氧环境。
基于瘤胃纤毛虫基因组目录，团队对近两千个宏组学数据进行分析，揭示了纤毛虫、产甲烷菌与甲烷排放之间的强相关性，阐明了不同瘤胃纤毛虫调控反刍动物甲烷排放的差异化机制。研究证实，氢小体分布于纤毛虫细胞中纤毛覆盖区域，多毛类纤毛虫的氢小体丰度远高于少毛类，相差数十倍，其对瘤胃产甲烷的贡献也更为显著。该结论通过培养体系得到充分验证。因此，多毛类纤毛虫可作为反刍动物甲烷排放调控的靶标纤毛虫物种。
该研究挑战了既有认识和观念，重塑了学界对瘤胃纤毛虫调控甲烷排放机制的科学认知，为畜牧业绿色低碳发展、研发靶向减排新技术、开发基于纤毛虫的畜牧业“碳减排”策略提供了重要理论支撑。
相关研究由水生所联合南京农业大学、江汉大学、吉林农业大学、西北工业大学完成。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。
相关论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv4244?sessionid=