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IF12.7!中国农业科学院团队用分子对接“干湿结合”拿下双一区TOP!

2026-05-12 09:53:13

你可能想不到，帮奶牛减少“碳足迹”的秘密，藏在一把葡萄籽里。中国农业科学院团队从近4000种植物成分中，锁定了原花青素（PAC）——它能直接“卡住”甲烷生产线的关键环节，还顺手调动瘤胃里的有益菌帮着消耗多余的氢。在泌乳奶牛身上试了试，每天甲烷排放降了8%，牛奶产量却没掉链子。天然、有效、不伤产奶量，这种“绿色抑制剂”听起来有点意思。

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文献解读

标题：原花青素通过与甲基辅酶M还原酶相互作用并重塑瘤胃微生物群功能来抑制甲烷排放

发表期刊：Microbiome

发表时间：2026年5月7日

影响因子：12.7/Q1

研究背景

反刍动物排放的甲烷既是强效温室气体，又造成饲料能量浪费。靶向产甲烷关键酶MCR是减排核心策略，但天然、安全、有效的抑制剂一直缺乏。

研究方法

1️⃣虚拟筛选与分子对接

▷从包含3,900种植物源化合物的天然产物库中，以甲基辅酶M还原酶（MCR）为靶点进行分子对接，筛选出结合能力最强的候选物——原花青素（PAC），其对接分数达-8.15 kcal/mol。

2️⃣多组学分析

▷16SrRNA扩增子测序+宏基因组测序：分析瘤胃微生物群落结构与功能基因变化。

▷非靶向代谢组学：检测瘤胃液中代谢物谱的变化。

▷KEGG功能注释与LEfSe差异分析：识别关键代谢通路与生物标志物。

研究亮点

🏆首次系统整合：

从计算筛选到体外验证再到体内试验，完整评估了PAC对泌乳奶牛甲烷减排的效果。

🧭多机制协同作用：

直接靶向MCR酶：分子对接显示PAC与MCR活性位点形成多个氢键，可能干扰催化功能。
重塑瘤胃菌群：Bacteroidota和Negativicutes等产氢/耗氢相关菌群比例升高，Firmicutes比例降低，减少氢气向甲烷的转化。
抑制产甲烷功能基因：宏基因组显示关键产甲烷基因（如metF, fdhA, fpoJ）显著下调。
改善氮代谢：瘤胃氨氮浓度下降，微生物蛋白增加，氮利用效率提高，同时竞争性地消耗氢气。

研究结果

PAC显示对MCR

的强结合能力，

并在体外降低CH4的产生

分子对接分析显示，PAC是得分最高的植物来源代谢物，对MCR活性位点具有最强的结合亲和力（图1a）。二维对接构象（图1b）显示PAC与MCR结合口袋周围的残基形成了多个氢键，包括GLN-147、VAL-151和MET-229，而三维模型（图1c）进一步确认PAC稳定地插入MCR活性位点。

图1 PAC显示对MCR的强结合能力，并在体外降低CH4的产生

PAC与MCR活性位点形成多个氢键，体外2.0 mg/g DM时甲烷降22.23%，丁酸和支链VFA下降，干物质降解率提高。复现可用分子对接筛选天然产物库，再设5个剂量组做24h批次发酵测CH₄和VFA。

PAC补充减少了甲烷

排放并改变了氮代谢

在PAC补充下，CH4的产生在不同标准化基准上显示出不同的模式（图2a）。每日CH₄产生显著受到PAC补充的影响，LPAC和HPAC分别将CH₄排放量降低至569.02和571.44g/d，而对照组为620.87g/d。

图2 PAC补充降低了体内CH₄排放并改变了氮代谢

日粮PAC使奶牛日甲烷排放降低约8%，饲喂后1h排放率显著下降，NH₃-N降低、MCP升高，而DMI、奶量、VFA无变化。复现可采用随机区组设计，用自动头箱系统连续16 d监测甲烷，并测定瘤胃发酵参数。

PAC补充改变

了细菌群落

对30个样本进行16S rRNA基因测序，平均获得约110,047个有效标签。Alpha多样性指数显示各组间无显著差异（图3a–b），且各样本的Good覆盖度均超过98%，表明测序深度足够。

图3 PAC补充会改变细菌群落结构

Alpha多样性无差异，但PCoA显著分离；Bacteroidota和Negativicutes增加，Clostridia减少；LEfSe鉴定42个标志菌。复现可做16S rRNA V3-V4测序，用QIIME2计算多样性和PCoA，LEfSe筛选差异菌。

功能注释证实PAC补充

抑制甲烷生成并改变氮代谢

KEGG B级功能分类显示了明显的处理差异（图4a）。复制与修复以及辅因子和维生素代谢通路在CK组中丰度较高。相反，HPAC组在脂质代谢、碳水化合物代谢和翻译方面的活性显著增强。

图4 PAC补充抑制甲烷生成并通过功能注释重塑氮代谢

HPAC组富集碳水化合物/脂质代谢基因，CK富集修复/辅因子基因；PAC抑制氢营养型产甲烷关键基因，并改变氮代谢基因。复现可做宏基因组测序，KEGG注释后用DESeq2和LEfSe分析差异基因及通路。

代谢组学分析验证PAC

补充促进微生物

合成和生物氢化

非靶向代谢组学显示，PAC补充，特别是高剂量，广泛重塑了瘤胃代谢组（图5）。差异代谢物分析（图5a）显示，CK与HPAC之间的变化最多，其次是 CK与LPAC。

图5 PAC补充通过非靶向代谢组学揭示的瘤胃代谢物发生变化

CK vs HPAC差异代谢物最多；PAC组氨基酸衍生物和脂质中间体上调，尿酸下调；HPAC富集脂肪酸合成、苯丙烷代谢等通路。复现可用非靶向LC-MS检测瘤胃液，OPLS-DA筛选VIP≥1.0的差异代谢物，再行KEGG富集分析。

文章小结

从分子对接一步步做到奶牛试验，这条研究把原花青素（PAC）减排甲烷的底摸清了：能卡住关键酶、能调菌群、能省氢气，关键是不降奶量。意义在于，找到了一种天然、安全、不牺牲生产的减排路子——对牧场是实打实的环保方案，对行业是多了一个能落地的选择。

END

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