南京农业大学确定畜牧业精准减碳新靶标

　　近日，国际学术期刊《科学》（Science）以“Rumen ciliates modulate methane emissions in ruminants”为题，发表了南京农业大学毛胜勇教授团队的研究成果。研究团队联合中国科学院水生生物研究所、江汉大学、吉林农业大学、西北工业大学等单位，历时5年协同攻关，揭示了瘤胃纤毛虫调控反刍动物甲烷排放的核心机制，并发现了全新的产氢细胞器“氢小体”，为畜牧业低碳减排、实现“双碳”目标提供了关键理论支撑与原创技术路径。

　　在全球气候变暖背景下，温室气体减排已成为全人类共同面对的重要课题。甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，其热能留置能力约为二氧化碳的23倍。因此，控制甲烷排放对于减缓全球气候变暖具有重要意义。当前，全球甲烷排放的增加主要源于人类活动，如畜牧业、水稻种植、化石能源生产与利用等，其中牛、羊等反刍动物排放的甲烷占全球人为甲烷排放量的30%以上。这些在消化过程中产生的甲烷，不仅会加剧温室效应，还意味着大量饲料能量被白白损耗，直接影响畜牧养殖效率。

　　“瘤胃是反刍动物体内最大的消化器官，也是一个天然的微生物发酵罐，主要依靠瘤胃微生物群落完成饲草降解与营养物质转化。纤毛虫是瘤胃中占比极高的真核微生物，其生物量最高可达瘤胃微生物总量的50%，长期以来被认为与甲烷排放密切相关。”毛胜勇介绍，团队前期研究已证实，氢代谢是瘤胃甲烷产生的核心驱动环节，而纤毛虫在其中发挥着重要作用。然而，受限于技术手段，全球科学界长期未能揭示纤毛虫影响甲烷排放的内在机制。瘤胃纤毛虫犹如一个难以打开的“黑箱”，成为制约畜牧业减排研究的关键瓶颈。

　　“可以说，不破解瘤胃纤毛虫的作用机理，便无法从根本上攻克反刍动物甲烷减排这一难题。”毛胜勇表示，该研究不仅填补了相关学科领域的空白，更对推动农业绿色转型及落实国家“双碳”战略目标具有重要意义。

　　早在1843年，瘤胃原虫便已进入国际科学界的研究视野。180多年来，相关研究经历了从显微观察与定性描述，到多组学与数据驱动解析的不断推进。然而，瘤胃原虫影响甲烷排放的内在机制始终未被真正揭示，仍有诸多关键科学问题亟待解决。

　　“瘤胃纤毛虫研究之所以长期停滞不前，根源在于其自身复杂的生物学特性所带来的多重技术与科学挑战。”该成果第一作者谢斐博士介绍，研究面临着五大难题：瘤胃纤毛虫依赖严格厌氧的复杂共生环境，其纯培养体系尚未建立；基因组复杂度高，存在大小核和染色体碎片化等多重难点；瘤胃纤毛虫以各类细菌、古菌、真菌和其他原虫为食，存在大量水平基因转移事件，导致其基因组序列外源污染较高；瘤胃纤毛虫形态多样性高，分类难度大；瘤胃纤毛虫的细胞、遗传和分子研究手段尚未建立。正是这一系列挑战叠加，让相关研究屡屡止步。

　　面对这些难题，毛胜勇团队整合多学科优势力量，联合中国科学院水生生物研究所、江汉大学、吉林农业大学、西北工业大学等单位，自2021年起围绕样本获取、基因组解析、功能验证等展开全链条攻关。

　　“通过与中国科学院水生生物研究所缪炜老师牵头的万种原生生物基因组（P10K）计划合作，研究创新地运用了多项自主开发的技术手段，提高了瘤胃纤毛虫的测序成功率，解决了基因组污染难题，从而高效获取到了高质量的瘤胃纤毛虫基因组。在此基础上，建立了一套完整的基因组数据分析流程，完成了海量数据的深度挖掘。”谢斐介绍。

　　5年间，团队处理了数千份瘤胃纤毛虫细胞样本，对近2000个瘤胃宏组学数据进行分析，在试验与验证中不断突破技术瓶颈，成功打开了瘤胃纤毛虫的研究“黑箱”。

　　这项发表于Science的研究，实现了新资源、新发现、新机制的三重原创突破，改变了国际学界对于反刍动物甲烷排放机制的传统认知。

　　依托自主建立的瘤胃纤毛虫基因组去污染技术，研究团队构建了包含450个基因组的瘤胃纤毛虫基因组资源库。研究首次将瘤胃纤毛虫的形态学特征与基因组信息相结合，明确了瘤胃纤毛虫由6个科、18个属构成，并可划分为纤毛覆盖整个细胞的“多毛类”和纤毛仅分布于细胞口器区域的“少毛类”两大功能类群。同时，团队成功建立了3种瘤胃纤毛虫的厌氧培养方法，为后续机制解析奠定了基础。

　　更具创新性的是，研究团队首次在瘤胃纤毛虫中发现了一种全新的产氢细胞器——氢小体（Hydrogenobody）。谢斐介绍，这一结构不同于传统认知中起源于线粒体、具有双层膜结构的产氢体（Hydrogenosome），而是起源于内膜系统、具有单层膜结构的全新细胞器，并含有独特的氢化酶与氧还原酶。它同时具有产氢与除氧双重功能，为瘤胃产甲烷菌甲烷产生过程提供核心动力。研究进一步证实，氢小体主要分布于纤毛覆盖区域，且多毛类纤毛虫中的氢小体丰度显著高于少毛类纤毛虫，表明多毛类纤毛虫是驱动反刍动物高甲烷排放的关键类群。基于这一重大发现，团队提出氢小体和多毛类纤毛虫可分别作为调控瘤胃甲烷排放的重要分子靶标与关键干预类群。

　　“这一成果不仅是基础研究的里程碑，更为畜牧业甲烷减排提供了新路径。”毛胜勇表示，核心靶标的确定让反刍动物甲烷减排从“模糊调控”走向“精准靶向”，为开发安全、高效、可落地的甲烷减排技术奠定理论基础。未来可研发通过抑制氢小体关键酶活性来降低甲烷排放的新策略，从源头降低甲烷排放、减少能量浪费，提升畜牧业生产效率。

　　“作为我国动物营养学领域的一项重要突破，该研究标志着中国在反刍动物营养与温室气体减排领域的研究迈入国际前沿，为全球畜牧业的绿色低碳发展贡献了中国智慧。”南京农业大学教授朱伟云说。