近日，记者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，在国际顶尖学术期刊《Science》发表题为“Rumen ciliates modulate methane emissions in ruminants”的研究论文，系统解析瘤胃纤毛虫调控反刍动物甲烷排放的细胞与分子机制，斩获反刍动物温室气体减排基础研究领域重大原创性成果。
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，瘤胃中占微生物总量25–50%的纤毛虫，被观察到与甲烷产量显著相关，但其具体作用机制一直未被破解。
针对瘤胃样品微生物组成复杂、基因组数据污染严重的研究难题，研究团队依托“万种原生生物基因组计划（P10K）”，开发针对性基因组去污染技术，成功构建包含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坚实资源基础。
此项研究最关键的核心突破，是研究团队在瘤胃纤毛虫中发现了一种全新的产氢细胞器，并将其命名为“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，可为产甲烷古菌提供关键底物并维持局部厌氧环境。
基于该基因组资源，研究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。研究进一步表明，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，数量差异可达数十倍，对甲烷生成的促进作用也显著更强，这一结论已在体外共培养实验中得到验证。
该研究严格依托实验数据与基因组资源，通过构建高质量基因组目录、发现全新产氢细胞器氢小体、阐明其“产氢－清氧”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。成果为发展针对性甲烷减排技术，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，让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。
近年来，由王文教授牵头的西北工业大学“生物多样性基因组学及生物性状仿生利用”翱翔战略团队，聚焦国际前沿科学和人类生命健康领域，取得一系列具有前瞻性和重大影响力的创新成果。团队以西北工业大学为第一/通讯作者单位，已在《Science》（5篇）、Cell（3篇）等国际顶级期刊发表系列高水平论文，相关成果三次入选“中国生命科学十大进展”（2019、2021和2025年），并获得2022年度教育部自然科学一等奖、2023年度国家自然科学二等奖，充分展现了团队在生命科学基础研究与多学科交叉融合方面的扎实能力与鲜明特色。未来，团队将继续围绕动植物复杂性状解析与仿生应用开展科研攻关，为相关领域发展持续贡献西工大智慧。
（中国日报陕西记者站）
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