Science | 我国科学家发现瘤胃纤毛虫调控反刍动物甲烷排放的新机制

2026年5月1日，中国科学院水生生物研究所联合南京农业大学、江汉大学、吉林农业大学、西北工业大学等，在Science期刊发表题为Rumen ciliates modulate methane emissions in ruminants 的研究论文。该研究解析了瘤胃纤毛虫调控反刍动物甲烷排放的分子机制，首次发现了一种起源于内膜系统、具有单层膜结构的新型产氢细胞器——Hydrogenobody（氢小体），重塑了关于瘤胃纤毛虫在反刍动物甲烷排放中作用的理解，为开发基于纤毛虫的畜牧业甲烷减排策略与技术奠定了基础。

全球温室效应主要由二氧化碳和甲烷等温室气体排放导致。甲烷是第二大温室气体，其热能留置能力是二氧化碳的23倍。当前，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。反刍动物排放的甲烷不仅造成环境污染，也会导致饲料能量的损失。反刍动物拥有四个胃，瘤胃是其中最大的一个。瘤胃内共生着细菌、古菌、原虫（主要是纤毛虫）和真菌等多类原核及真核微生物，这些微生物通过厌氧发酵降解和消化饲草中的纤维等成分，产生宿主可利用的营养物质。与此同时，发酵过程也会生成大量甲烷，成为反刍动物甲烷排放的主要来源。纤毛虫在瘤胃微生物量中占比最高可达50%左右，其与产甲烷菌及甲烷排放密切相关。尽管瘤胃纤毛虫长期以来被认为能够调控反刍动物的甲烷排放，但其具体机制尚不清楚。系统解析反刍家畜胃肠道微生物的甲烷代谢机制，瘤胃纤毛虫是不可或缺且必须攻克的关键。

在这一背景下，本研究通过多团队合作，在瘤胃纤毛虫资源挖掘、新型产氢细胞器的发现以及甲烷排放调控机制等方面取得了重要进展：

1）新资源：针对瘤胃纤毛虫样品普遍存在多种污染的难点，依托万种原生生物基因组（P10K）计划，开发了瘤胃纤毛虫基因组去污染技术，进而建立了目前最大的瘤胃纤毛虫基因组资源库（450个），将其分为多毛（纤毛覆盖整个细胞）和少毛（纤毛仅覆盖细胞口器区域）两大类，涵盖6科18属。研究突破了3种瘤胃纤毛虫的厌氧培养方法，并建立了活体种质资源，为本研究的顺利开展奠定了坚实基础。

2）新发现：在瘤胃纤毛虫中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——Hydrogenobody（氢小体）。该结构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Hydrogenosome（产氢体）截然不同。氢小体中含有独特的氢化酶和氧还原酶，在氢气生成和清除进入瘤胃的氧气中发挥关键作用，为瘤胃产甲烷菌提供底物并维持厌氧环境，可作为干预反刍动物甲烷排放的分子靶标。

3）新机制：基于瘤胃纤毛虫基因组目录，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。研究阐明了不同瘤胃纤毛虫影响反刍动物甲烷排放高低的机制：氢小体分布于纤毛虫细胞中纤毛覆盖的区域，使得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显著大于少毛类。该结论通过培养体系得到了验证。因此，多毛类纤毛虫可作为干预反刍动物甲烷排放的靶标纤毛虫物种。

整体而言，研究挑战了既有认知，提出了以“氢小体介导的产氢-除氧耦合”为核心的瘤胃纤毛虫调控甲烷生成新路径，阐明了不同纤毛虫差异化影响反刍动物甲烷排放的机制，明确了干预甲烷排放的分子靶标与关键纤毛虫类群。研究为深入理解瘤胃甲烷代谢、挖掘减排新靶点奠定了基础，对推动畜牧业实现“碳减排”目标具有重要意义。

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。研究得到了中国科学院水生生物研究所分析测试中心、北京大学冷冻电镜平台、中国科学院超级计算武汉分中心、南京农业大学生物信息高性能计算平台以及国家水生生物种质资源库的支持。

图1. 瘤胃纤毛虫影响反刍动物甲烷排放高低的机制

图2. 瘤胃纤毛虫基因组目录（Vest，多毛类；Ento，少毛类）

图3. 瘤胃纤毛虫新型产氢细胞器——氢小体（HB，hydrogenobody；CM，cell membrane；EEB，ecto-endoplasmic boundary）

原文链接：http://doi.org/10.1126/science.adv4244

制版人： 十一

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