反刍动物对于全球粮食安全至关重要，其具有复杂的瘤胃微生物生态系统，可将纤维饲料转化为动物宿主用来提供优质产品（肉类和奶类）的营养物质，而同时产生的甲烷（CH₄）作为温室气体其危害程度要比二氧化碳更高。目前全球30%的人为CH₄排放来自于畜牧业，其中88%来自于肠道发酵产气。CH₄的产率由分子氢（H₂）的循环控制，氢分子在碳水化合物发酵过程中产生，并被产甲烷、产乙酸的微生物消耗。然而，我们对H₂代谢的介质和途径以及具有不同CH₄排放表型的动物之间的差异缺乏全面了解。

2024年1月，来自中国科学院亚热带农业生态研究所的王敏研究团队在ISME Journal（IF=11）发表了题为“Distinct microbial hydrogen and reductant disposal pathways explain interbreed variations in ruminant methane yield”的文章。本研究分别选择12头高CH₄排放的泽西奶牛以及低CH₄排放的荷斯坦奶牛进行宏基因组、宏转录组和靶向代谢等组学研究，比较不同奶牛之间H₂循环还原剂处置途径，强调了促进替代H₂消耗和还原剂处置途径对合成宿主有益代谢物和减少反刍动物CH₄产生的重要性。其中中心碳相关物质的靶向代谢检测由诺禾致源提供。

研究思路

研究结果

1. 泽西牛与荷斯坦牛的甲烷排放和瘤胃微生物群落不同

作者从牛群中选择了12头泽西奶牛和12头荷斯坦奶牛进行相关研究，相较于泽西牛，荷斯坦牛表现出更高的干物质摄入量和校正产奶量（图1B）以及更低的肠道甲烷（CH₄）强度和产量（图1B）。并且在饲喂前后，荷斯坦牛瘤胃中可溶解氢气（dH₂）的浓度和产生气态H₂的水平更低（图1C、D），说明荷斯坦牛和泽西牛瘤胃微生物之间H₂产生和消耗存在差异。通过16S rRNA测序发现两个品种牛的瘤胃微生物群的组成和多样性不同（图1E），甲烷杆菌在泽西牛瘤胃微生物中占主导地位（图1F）。

图1 两个品种牛的瘤胃H₂动态和微生物群落差异

2. 两个品种牛瘤胃代谢物水平不同

两个品种牛瘤胃中挥发性脂肪酸（VFA）的总体浓度没有显著差异（图2A），但是荷斯坦牛有更高的丙酸水平和较低的乙酸与丙酸浓度比（图2B），相比之下，泽西牛有更高的乙酸和丁酸水平（图2B）。并且荷斯坦牛有较高的微生物蛋白（MCP）水平与流体MCP和NH₄浓度比（图2C），说明荷斯坦牛具有较低的CH₄排放表型。通过靶向代谢，作者对30多种丙酸和谷氨酸合成相关的中心碳相关物质进行了检测的靶向检测，其中乳酸、草酰乙酸、柠檬酸、顺势乌头酸和异柠檬酸的水平在荷斯坦牛的瘤胃中更高（图2F），表明谷氨酸合成量更大，荷斯坦牛瘤胃微生物分别通过丙烯酸途径和还原胺化来增加丙酸和MCP的产生。

图2 两个品种牛瘤胃中微生物代谢组

3. 两个品种牛瘤胃微生物组的不同

作者使用宏基因组和宏转录组进行测序，其结果与之前扩增子的结果一致，表明荷斯坦牛和泽西牛的瘤胃微生物组之间产甲烷细菌的群落组成明显不同。KEGG注释显示，碳水化合物代谢途径相关基因较多，荷斯坦牛具有更强的碳水化合物代谢能力和活性（图3A）。尽管乙酸是两个品种牛瘤胃发酵的主要产物，但是荷斯坦牛将发酵中间体主要分配转向丙酸（图3B）。在碳水化合物发酵过程中丁酸、丙酸和谷氨酸的合成可能与还原剂处置的不同途径有关，通过相关标记基因和转录本水平的检测，发现荷斯坦牛有更丰富的电子转移反应总标记基因（图3A），并且有更高的编码产生丙酸的相关酶（ACADS等）（图3D），这表明丙烯酸途径在在荷斯坦牛丙酸形成中起重要作用，荷斯坦牛瘤胃微生物组具有更强的电子转移处理还原剂的能力。

图3 两个品种牛瘤胃中微生物组功能差异

4. 两个品种牛瘤胃还原剂处理相关的微生物存在差异

作者对宏基因组进行了组装，其中有376个组装基因组（MAG）显示与谷氨酸、丙酸和丁酸合成过程中通过电子转移处理还原剂的能力有关（图4B），并发现其中多个MAG与甲烷生成、还原乙酰生成、硝酸盐氨化和亚硫酸盐还原有关（图4B、C）。说明了组装的基因组中大多数具有通过瘤胃微生物生态系统中各个途径处理还原剂的能力。

图4 两个品种牛瘤胃微生物组的432个MAG

5. 体外验证微生物群功能的差异

作者将相同总混合日粮（TMR）底物与奶牛的瘤胃接种物进行孵育来比较两个品种牛瘤胃微生物组的活性。与上述的体内实验一致，泽西牛瘤胃微生物产生了更多的CH₄（图5A），荷斯坦牛瘤胃微生物组产生了更多的VFA，并具有较低的丁酸水平和乙酸与丙酸比（图5B）。通过同位素标记实验，发现了泽西牛瘤胃微生物显示出更强的利用H₂进行CH₄和乙酸生产的能力（图5C、D）。

图5 来自AD患者的血清减少了人胚胎海马祖细胞的神经发生

6. 通过电子转移和H₂代谢来处理还原剂与CH₄产率相关

作者搜索了7651个瘤胃宏基因组数据，发现其中编码参与还原剂处理的基因较多，大多数可以合成谷氨酸并产生丙酸（图6A）。为了验证前述得到结果的普遍性，分别选择了4头高CH₄排放和低CH₄排放的奶牛进行宏基因组和宏转录组分析，发现低CH₄排放个体在电子转移中具有较高的基因丰度，而在甲烷生成中具有较低的基因丰度（图6B）。并通过公共数据库获取了绵羊和肉牛的瘤胃宏基因组和宏转录组数据，发现于作者的结果相一致（图6C）。

图6 反刍动物通过电子转移或H₂代谢处理还原剂

小编总结

本研究中，作者通过宏基因组、宏转录组、靶向代谢组等技术研究了不同CH₄排放量的奶牛瘤胃微生物差异及影响宿主表型的调控途径。发现了低CH₄排放的荷斯坦牛瘤胃微生物组具有更强的电子转移处理还原剂的能力，而高CH₄排放的奶牛瘤胃主要通过H₂生产及富集产甲烷和H₂消耗途径来使用还原剂。这些发现为反刍动物CH₄排放变化的基础以及控制微生物群落中H₂交易的潜在生态机制提供了新的见解。并也潜在地对育种计划和饮食配方来降低反刍动物的CH₄排放提供了指导。

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参考文献：

Li Q, Ma Z, Huo J, et al. Distinct microbial hydrogen and reductant disposal pathways explain interbreed variations in ruminant methane yield[J]. ISME J. 2024;18(1):wrad016.