科学家发现牛羊打嗝产甲烷的关键机制，助力畜牧业减排

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受全球变暖压力影响，畜牧业正面临着一道两难的考题，这道考题是，既需要满足人类对于肉奶的需求，然而又必须要大幅将甲烷排放降低。牛、羊等反刍动物打嗝所释放出来的甲烷，在全球人为甲烷排放之中所占比例超过30%，可称得上是“隐形温室杀手”。更为棘手的情况是，这些甲烷还意味着饲料能量会白白地流失，这会直接对养殖效益产生影响。近日，一项协同攻关历经5年，终于实现突破，打破了困扰国际科学界180多年的瓶颈 ，来自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的研究团队，在《科学》杂志发表成果，首次揭示瘤胃纤毛虫调控甲烷排放的核心机制，且发现一种全新的产氢细胞器“氢小体”。

自然界中，反刍动物身体里最大的那个消化器官是瘤胃，它宛如一个天然的微生物发酵罐。在瘤胃里，纤毛虫的生物量最高占比能达到瘤胃微生物总量的50%，长久以来一直被怀疑和甲烷排放有着紧密的联系。课题团队的负责人毛胜勇讲，氢代谢是瘤胃产生甲烷的核心驱动环节，然而受技术手段的限制阻碍，全球的科学界始终没能打开瘤胃纤毛虫这一形似封闭、内容不明的“黑箱”。纯培养体系的缺失、基因组极为复杂、存在大量水平基因转移等等这些难题，致使相关研究停顿搁置了超过一个半世纪。

先是为了去攻克这一难关，后来团队从2021年开始整合多学科力量，接着创新运用了多项自主开发的技术手段。在这5年间，他们处理了数千份瘤胃纤毛虫细胞样本，还对近两千个瘤胃宏组学数据展开分析，最终成功构建了包含450个基因组的全球最大瘤胃纤毛虫基因组资源库。此次研究首次把形态学特征与基因组信息相融合，明确瘤胃纤毛虫是由6个科、18个属所构成的，并且划分为“多毛类”和“少毛类”两大功能类群。

更具颠覆性的发现是，团队在瘤胃纤毛虫中找到了一种全新的产氢细胞器，即氢小体。它同传统认知里起源于线粒体、有着双层膜的产氢体不一样，而是起源于内膜系统、拥有单层膜的全新结构，并且含有独特的氢化酶与氧还原酶。这个细胞器同时具备产氢与除氧双重功能，为瘤胃产氢产甲烷菌提供了核心“燃料”。研究进一步证实，氢小体主要分布在纤毛覆盖的区域，并且多毛类纤毛虫当中的氢小体丰度明显高于少毛类。这表明多毛类纤毛虫正是那个驱动反刍动物高甲烷排放的关键类群。

基于这一重大发现，毛胜勇表示，团队提出氢小体和多毛类纤毛虫可分别作为调控甲烷排放的重要分子靶标与关键干预类群，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、可落地的减排技术奠定了理论基础，未来可以通过研发抑制氢小体关键酶活性的策略，从源头降低甲烷排放、减少能量浪费，同时提升畜牧业生产效率。

这项研究，不但填补了相关学科领域的空白，进而标志着中国在反刍动物营养与温室气体减排领域步入国际前沿。对于养殖户以及畜牧企业来讲，这意味着将来有希望借助更精准的手段减少碳排放，提升饲料转化率，于环保压力跟经济效益间寻得新的平衡点。

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