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西工大团队揭示调控反刍动物甲烷排放：新细胞器
西安5月1日电(记者阿琳娜)记者1日从西北工业大学获悉，该校生命科学与技术学院“生物多样性基因组学及生物性状仿生利用”翱翔战略团队邱强教授，联合中国科学院水生生物研究所缪炜、熊杰研究员团队，以及南京农业大学毛胜勇教授团队，系统解析了瘤胃纤毛虫调控反刍动物甲烷排放的细胞与分子机制，是反刍动物温室气体减排基础研究领域的一项重大原创性成果。
瘤胃纤毛虫基因组目录。西北工业大学供图据介绍，甲烷是全球第二大温室气体，其单位质量的增温效应约为二氧化碳的23倍。反刍动物(如牛、羊)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。长期以来，瘤胃中的纤毛虫(可占微生物总量25%–50%)被观察到与甲烷产量显著相关，但其具体作用机制一直不明。
面对瘤胃样品微生物组成复杂、基因组数据污染严重的挑战，研究团队依托“万种原生生物基因组计划(P10K)”，开发了针对性的基因组去污染技术，成功构建了包含450个高质量基因组的瘤胃纤毛虫基因组目录，其中87%为首次获得。该目录将纤毛虫划分为前庭目(多毛类)和内毛目(少毛类)两大类，涵盖6科18属，为后续机制解析奠定了资源基础。
不同瘤胃纤毛虫影响反刍动物甲烷排放高低的机制。西北工业大学供图研究最关键突破，是团队在瘤胃纤毛虫中发现了一种全新的产氢细胞器，命名为“氢小体”。与此前已知的、源于线粒体的双层膜“产氢体”不同，氢小体起源于内膜系统，为单层膜结构，定位于纤毛基体附近。其内部含有独特的[FeFe]-氢化酶和黄素二铁氧还原酶，兼具产生氢气和清除氧气的双重功能，从而为产甲烷古菌提供关键底物并维持局部厌氧环境。
基于上述基因组资源，团队结合全球近两千个瘤胃宏基因组与宏转录组数据，以及对百头奶牛的实地测定，证实了纤毛虫与产甲烷菌丰度、甲烷排放量之间的强相关性。进一步研究表明，由于氢小体分布于纤毛丰富的皮层区域，全身被纤毛覆盖的前庭目纤毛虫其氢小体数量远高于仅口部有纤毛的内毛目纤毛虫，差异可达数十倍，因而对甲烷生成的促进作用显著更强。这一结论已在体外共培养实验中得到验证。
该研究通过构建高质量基因组资源、发现全新产氢细胞器氢小体并阐明其“产氢—清氧”的双重功能机制，首次系统揭示了瘤胃纤毛虫驱动反刍动物甲烷排放的完整过程，更新了学界对瘤胃微生物生态系统功能的认知。这为发展针对性的甲烷减排技术(如抑制前庭目纤毛虫或干预氢小体功能)提供了关键理论基础与精准分子靶标，使得通过调控瘤胃微生物组实现绿色低碳养殖成为可能，对推动畜牧业可持续发展具有重要意义。(完)
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