西工大團(tuán)隊揭示調(diào)控反芻動物甲烷排放新細(xì)胞器

　中新網(wǎng)西安5月1日電 (記者 阿琳娜)記者1日從西北工業(yè)大學(xué)獲悉，該校生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院“生物多樣性基因組學(xué)及生物性狀仿生利用”翱翔戰(zhàn)略團(tuán)隊邱強教授，聯(lián)合中國科學(xué)院水生生物研究所繆煒、熊杰研究員團(tuán)隊，以及南京農(nóng)業(yè)大學(xué)毛勝勇教授團(tuán)隊，系統(tǒng)解析了瘤胃纖毛蟲調(diào)控反芻動物甲烷排放的細(xì)胞與分子機制，是反芻動物溫室氣體減排基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項重大原創(chuàng)性成果。

瘤胃纖毛蟲基因組目錄。西北工業(yè)大學(xué)供圖

　　據(jù)介紹，甲烷是全球第二大溫室氣體，其單位質(zhì)量的增溫效應(yīng)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(fā)酵產(chǎn)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(nóng)業(yè)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(chǎn)量顯著相關(guān)，但其具體作用機制一直不明。

　　面對瘤胃樣品微生物組成復(fù)雜、基因組數(shù)據(jù)污染嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊依托“萬種原生生物基因組計劃(P10K)”，開發(fā)了針對性的基因組去污染技術(shù)，成功構(gòu)建了包含450個高質(zhì)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(nèi)毛目(少毛類)兩大類，涵蓋6科18屬，為后續(xù)機制解析奠定了資源基礎(chǔ)。

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(yè)大學(xué)供圖

　　研究最關(guān)鍵突破，是團(tuán)隊在瘤胃纖毛蟲中發(fā)現(xiàn)了一種全新的產(chǎn)氫細(xì)胞器，命名為“氫小體”。與此前已知的、源于線粒體的雙層膜“產(chǎn)氫體”不同，氫小體起源于內(nèi)膜系統(tǒng)，為單層膜結(jié)構(gòu)，定位于纖毛基體附近。其內(nèi)部含有獨特的[FeFe]-氫化酶和黃素二鐵氧還原酶，兼具產(chǎn)生氫氣和清除氧氣的雙重功能，從而為產(chǎn)甲烷古菌提供關(guān)鍵底物并維持局部厭氧環(huán)境。

　　基于上述基因組資源，團(tuán)隊結(jié)合全球近兩千個瘤胃宏基因組與宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，以及對百頭奶牛的實地測定，證實了纖毛蟲與產(chǎn)甲烷菌豐度、甲烷排放量之間的強相關(guān)性。進(jìn)一步研究表明，由于氫小體分布于纖毛豐富的皮層區(qū)域，全身被纖毛覆蓋的前庭目纖毛蟲其氫小體數(shù)量遠(yuǎn)高于僅口部有纖毛的內(nèi)毛目纖毛蟲，差異可達(dá)數(shù)十倍，因而對甲烷生成的促進(jìn)作用顯著更強。這一結(jié)論已在體外共培養(yǎng)實驗中得到驗證。

　　該研究通過構(gòu)建高質(zhì)量基因組資源、發(fā)現(xiàn)全新產(chǎn)氫細(xì)胞器氫小體并闡明其“產(chǎn)氫—清氧”的雙重功能機制，首次系統(tǒng)揭示了瘤胃纖毛蟲驅(qū)動反芻動物甲烷排放的完整過程，更新了學(xué)界對瘤胃微生物生態(tài)系統(tǒng)功能的認(rèn)知。這為發(fā)展針對性的甲烷減排技術(shù)(如抑制前庭目纖毛蟲或干預(yù)氫小體功能)提供了關(guān)鍵理論基礎(chǔ)與精準(zhǔn)分子靶標(biāo)，使得通過調(diào)控瘤胃微生物組實現(xiàn)綠色低碳養(yǎng)殖成為可能，對推動畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。(完)