每年，全球约10亿头反刍动物通过打嗝释放出大量甲烷，这种强效温室气体对全球变暖的贡献不容忽视。在牛羊的瘤胃中，一个复杂的微生物生态系统负责分解植物纤维，而其中的原生动物——纤毛虫，长期以来被认为与甲烷产量密切相关，但其具体作用机制一直是个谜。

2026年4月30日，中国科学院水生生物研究所缪炜、熊杰、南京农业大学毛胜勇和西北工业大学邱强为共同通讯（谢斐、姜传奇、李志鹏、冯金梅和闫小婷为论文的共同第一作者）在Science 在线发表题为“Rumen ciliates modulate methane emissions in ruminants”的研究论文，该研究不仅构建了迄今最全面的瘤胃纤毛虫基因组目录，更首次发现了一种独特的产氢细胞器——“氢小体”，它如同一座“微型化工厂”，直接揭示了纤毛虫驱动甲烷生成的核心机制。

构建基因组“地图”，关联甲烷排放

研究人员克服了瘤胃纤毛虫难以培养的技术瓶颈，成功获取并分析了450个纤毛虫基因组，其中87%是全新测序的。这为高分辨率解析其群落构成奠定了基础。

利用这一宝贵的基因组资源，团队对100头奶牛进行了甲烷排放测量，并结合分析了近2000个瘤胃宏基因组与宏转录组数据集。分析明确显示：纤毛虫的丰度、产甲烷古菌的丰度及活性、以及最终的甲烷排放量三者之间存在显著的正相关。这从大数据层面证实了纤毛虫的关键作用。

颠覆性发现：独特的“产氢体”细胞器

研究的突破性发现在于揭示了其作用机制。纤毛虫在发酵植物纤维时会产生氢气，而产甲烷菌正是以氢气为“食物”来合成甲烷。传统的产氢体（Hydrogenosome）是线粒体衍生的双层膜结构，但研究人员在瘤胃纤毛虫中发现了一种全新的、由单层膜包裹的产氢细胞器，并将其命名为“氢小体（Hydrogenobody）”。

这种氢小体位于纤毛基体附近，内部含有独特的氢化酶和氧还原酶。它的功能至关重要：

“产氢”：作为高效的产氢单元，为产甲烷菌提供充足底物。

“清氧”：其氧还原酶能清除局部氧气，为严格厌氧的产甲烷菌创造生存环境。

瘤胃纤毛虫驱动的甲烷生成机制模型（图源自Science ）

物种差异决定排放强度

研究进一步发现，不同类群的纤毛虫携带氢小体的数量和能力不同。例如，Vestibuliferida ciliates比Entodiniomorphida的拥有更多氢小体和更高的纤毛覆盖率。这使它们具备更强的产氢和清除氧气能力，从而能更强烈地刺激甲烷生成。这解释了为何不同反刍动物个体或饲养条件下，甲烷排放量存在差异的微生物学基础。

科学意义与未来应用

这项研究具有多重深远影响：

资源价值：发布的基因组目录将成为该领域的关键资源，推动更精细的微生物生态研究。

理论突破：发现了一种结构独特、功能明确的真核细胞器，扩展了对细胞器多样性的认知。

应用靶点：明确了“氢小体”是纤毛虫驱动甲烷生成的核心结构，为开发针对性的减排策略（如设计抑制剂、筛选低甲烷排放的纤毛虫群落或育种干预）提供了全新的精准靶点。

总之，该研究不仅解开了困扰科学家数十年的瘤胃纤毛虫作用机制之谜，也为未来通过调控瘤胃微生物组来减少畜牧业温室气体排放，开辟了全新的科学路径。

参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv4244