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甲烷是第二大溫室氣體。全球甲烷排放的增加主要源于人類活動，如畜牧業、水稻種植、化石能源生產與利用等，其中，牛、羊等反芻動物排放的甲烷占全球人為甲烷排放量的30%以上。反芻動物甲烷主要源于瘤胃微生物厭氧發酵產生，其中原生動物纖毛蟲在瘤胃微生物總量占比最高可達50%。長期以來，學界普遍認為瘤胃纖毛蟲與反芻動物甲烷排放密切相關，但其內在調控機制并不清楚。
近日，中國科學院水生生物研究所牽頭開展聯合攻關，闡明了瘤胃纖毛蟲調控反芻動物甲烷排放的機制，并在瘤胃纖毛蟲資源、新型產氫細胞器發現和調控甲烷排放機制等方面取得了系列原創性重大突破：
1）?新資源：針對瘤胃纖毛蟲樣品通常具有多種污染的難點，依托“萬種原生生物基因組計劃?(P10K, https://ngdc.cncb.ac.cn/p10k/)，開發了瘤胃纖毛蟲基因組去污染技術，建成了目前最大的瘤胃纖毛蟲基因組資源庫（450個），分為多毛（纖毛覆蓋整個細胞）和少毛（纖毛僅覆蓋細胞口器區域）兩大類，包含6科18屬。同時，建立了3種瘤胃纖毛蟲的體外厭氧培養方法并建立了活體種質資源，為本研究的順利開展奠定了堅實基礎。
2）新發現：在瘤胃纖毛蟲體內，首次發現了起源于內膜系統的、具有單層膜的新型產氫細胞器—氫小體（Hydrogenobody），與以往在其他真核生物中發現的起源于線粒體的、具有雙層膜的產氫體（Hydrogenosome）截然不同。氫小體中含有瘤胃纖毛蟲獨有的氫化酶和氧還原酶，在氫氣生成和去除進入瘤胃的氧氣中發揮關鍵作用，為產甲烷菌提供了產甲烷的底物和厭氧環境。
3）新機制：基于瘤胃纖毛蟲基因組目錄，團隊對近兩千個宏組學數據進行分析，揭示了纖毛蟲、產甲烷菌與甲烷排放之間的強相關性，闡明了不同瘤胃纖毛蟲調控反芻動物甲烷排放的差異化機制。研究證實，氫小體分布于纖毛蟲細胞中纖毛覆蓋區域，多毛類纖毛蟲的氫小體豐度遠高于少毛類（相差數十倍），其對瘤胃產甲烷的貢獻也更為顯著，該結論通過培養體系進行了充分驗證。因此，多毛類纖毛蟲可作為反芻動物甲烷排放調控的靶標纖毛蟲物種。
該研究挑戰了既有認識和觀念，重塑了學界對瘤胃纖毛蟲調控甲烷排放機制的科學認知，為畜牧業綠色低碳發展、研發靶向減排新技術、開發基于纖毛蟲的畜牧業“碳減排”策略提供了重要理論支撐。
瘤胃纖毛蟲基因組目錄
瘤胃纖毛蟲中的新型產氫細胞器—Hydrogenobody（氫小體）
不同瘤胃纖毛蟲影響反芻動物甲烷排放高低的機制
4月30日，研究成果以“Rumen ciliates modulate methane emissions in ruminants”為題發表于Science雜志。相關研究由水生所聯合南京農業大學、江漢大學、吉林農業大學、西北工業大學完成。謝斐、姜傳奇、李志鵬、馮金梅和閆小婷為論文的共同第一作者，繆煒、熊杰、毛勝勇和邱強為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院先導專項等項目資助，并得到了水生所分析測試中心、北京大學冷凍電鏡平臺、中國科學院超級計算武漢分中心、南京農業大學生物信息高性能計算平臺和國家水生生物種質資源庫的支持。