Science：我国学者发现调控反刍动物甲烷排放的新型细胞器——氢小体

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

甲烷是一种强效温室气体，对全球变暖有重大影响。反刍动物（牛、羊等）在消化过程中通过瘤胃微生物发酵产生大量甲烷，其排放量占全球人为甲烷排放总量的 30% 以上，是农业温室气体的主要来源。在反刍动物的瘤胃微生物生态系统中，纤毛虫占总微生物生物量的 25% 之多，长期以来一直被认为会促进甲烷的生成。然而，这些瘤胃中的纤毛虫促进产甲烷的确切机制一直未明。

构建反刍动物瘤胃纤毛虫的全面参考基因组目录对于实现对其群落结构的高分辨率分析以及阐明其与产甲烷菌和甲烷排放之间的关联至关重要。这样的基因组基础对于区分特定纤毛虫谱系在塑造反刍动物甲烷排放方面的不同作用至关重要。此外，与主要通过代谢变化产生功能多样性的原核生物不同，真核生物通常通过细胞结构的创新来进化。作为真核生物，瘤胃纤毛虫可能不仅通过代谢途径，而且——或许更重要的是——通过一种特殊的细胞器来影响甲烷的产生。

2026 年 4 月 30 日，中国科学院水生生物研究所缪炜、熊杰，南京农业大学毛胜勇、西北工业大学邱强作为共同通讯作者，中国科学院水生生物研究所谢斐、姜传奇，吉林农业大学李志鹏，江汉大学冯金梅，西北工业大学闫小婷作为共同第一作者，在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：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），该研究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（例如抑制前庭目纤毛虫或干预氢小体功能）奠定了基础。

瘤胃纤毛虫是反刍动物肠道甲烷排放的主要贡献者，但其潜在机制仍不清楚。

在这项最新研究中，研究团队汇集了 450 个瘤胃纤毛虫基因组目录，其中 87% 是新测序的。利用这一资源，研究团队测量了 100 头奶牛的甲烷排放量，并分析了近 2000 个瘤胃宏基因组和宏转录组数据集。

分析结果表明，纤毛虫丰度、产甲烷菌丰度和活性以及甲烷排放量之间存在很强的相关性。该研究还发现了一种此前未知的产氢细胞器，并将其命名为——Hydrogenobody（氢小体），它解释了纤毛虫对甲烷生成的分类特异性影响。氢小体由单层膜包裹，这与以往在其他真核生物中发现的源自线粒体的具有双层膜的 Hydrogenosome（产氢体）不同。氢小体位于纤毛基体附近，含有独特的氢化酶和氧还原酶。前庭目纤毛虫的氢小体数量明显多于内毛目纤毛虫，这与前庭目纤毛虫更大的纤毛覆盖面积相关。这种结构上的差异导致了更高的产氢和氧清除能力，从而更显著地促进了甲烷生成。

氢小体

瘤胃纤毛虫驱动甲烷产生的机制模型

总的来说，这项研究为瘤胃纤毛虫提供了全面的基因组资源，揭示了一种新型产氢细胞器，它将纤毛虫的细胞活动与甲烷排放联系起来，并揭示了反刍动物中由纤毛虫驱动的产甲烷作用的机制基础。

论文链接：

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