北京
中新網西安5月1日電 (記者 阿琳娜)記者1日從西北工業大學獲悉，該校生命科學與技術學院“生物多樣性基因組學及生物性狀仿生利用”翱翔戰略團隊邱強教授，聯合中國科學院水生生物研究所繆煒、熊杰研究員團隊，以及南京農業大學毛勝勇教授團隊，系統解析了瘤胃纖毛蟲調控反芻動物甲烷排放的細胞與分子機制，是反芻動物溫室氣體減排基礎研究領域的一項重大原創性成果。
瘤胃纖毛蟲基因組目錄。西北工業大學供圖
據介紹，甲烷是全球第二大溫室氣體，其單位質量的增溫效應約為二氧化碳的23倍。反芻動物(如牛、羊)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。長期以來，瘤胃中的纖毛蟲(可占微生物總量25%–50%)被觀察到與甲烷產量顯著相關，但其具體作用機制一直不明。
面對瘤胃樣品微生物組成復雜、基因組數據污染嚴重的挑戰，研究團隊依托“萬種原生生物基因組計劃(P10K)”，開發了針對性的基因組去污染技術，成功構建了包含450個高質量基因組的瘤胃纖毛蟲基因組目錄，其中87%為首次獲得。該目錄將纖毛蟲劃分為前庭目(多毛類)和內毛目(少毛類)兩大類，涵蓋6科18屬，為后續機制解析奠定了資源基礎。
不同瘤胃纖毛蟲影響反芻動物甲烷排放高低的機制。西北工業大學供圖
研究最關鍵突破，是團隊在瘤胃纖毛蟲中發現了一種全新的產氫細胞器，命名為“氫小體”。與此前已知的、源于線粒體的雙層膜“產氫體”不同，氫小體起源于內膜系統，為單層膜結構，定位于纖毛基體附近。其內部含有獨特的[FeFe]-氫化酶和黃素二鐵氧還原酶，兼具產生氫氣和清除氧氣的雙重功能，從而為產甲烷古菌提供關鍵底物并維持局部厭氧環境。
基于上述基因組資源，團隊結合全球近兩千個瘤胃宏基因組與宏轉錄組數據，以及對百頭奶牛的實地測定，證實了纖毛蟲與產甲烷菌豐度、甲烷排放量之間的強相關性。進一步研究表明，由于氫小體分布于纖毛豐富的皮層區域，全身被纖毛覆蓋的前庭目纖毛蟲其氫小體數量遠高于僅口部有纖毛的內毛目纖毛蟲，差異可達數十倍，因而對甲烷生成的促進作用顯著更強。這一結論已在體外共培養實驗中得到驗證。
該研究通過構建高質量基因組資源、發現全新產氫細胞器氫小體并闡明其“產氫—清氧”的雙重功能機制，首次系統揭示了瘤胃纖毛蟲驅動反芻動物甲烷排放的完整過程，更新了學界對瘤胃微生物生態系統功能的認知。這為發展針對性的甲烷減排技術(如抑制前庭目纖毛蟲或干預氫小體功能)提供了關鍵理論基礎與精準分子靶標，使得通過調控瘤胃微生物組實現綠色低碳養殖成為可能，對推動畜牧業可持續發展具有重要意義。(完)
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