甲烷是关键温室气体，反刍动物瘤胃发酵产生的甲烷不仅增加农业温室气体排放，同时也造成饲料能量损失、降低动物生产效率。我国牛羊存栏总量已跃升至全球第二，甲烷温室气体年排放量增加到200 Tg二氧化碳当量，这对国家应对全球气候变暖和实现“双碳”目标带来巨大挑战。因此，开发安全、高效的瘤胃靶向甲烷抑制剂，对于实现牛羊饲料效率与环境效应同步提升、科技支撑牛羊产业可持续低碳发展与国家“双碳”目标至关重要。
在所有已知产甲烷途径中，甲基辅酶M还原酶（methyl-coenzyme M reductase, MCR）催化甲烷生成的最后一步，是高度保守的关键酶。因此，靶向抑制MCR成为开发新型甲烷抑制剂的重要策略。目前，3-硝基氧基丙醇（3-nitrooxypropanol, 3-NOP）是研究较为深入的MCR抑制剂，可有效降低反刍动物甲烷排放。然而，3-NOP的亲水性可能缩短其在瘤胃内的有效滞留时间，从而限制其对于产甲烷古菌细胞膜的跨膜能力及胞内靶标持续作用效果。因此，迫切需要研发疏水性瘤胃靶向甲烷抑制剂，提升甲烷减排效果。
针对这一科学问题，研究团队通过增加化合物的疏水性提高其细胞可及性，设计3-NOP结构类似物1,3-丙二醇二硝酸酯（1,3-propanediol dinitrate,1,3-PDN）作为新型疏水性靶向甲烷抑制剂。综合应用多组学分析与分子模拟技术，结合瘤胃体外发酵实验和纯培养实验，系统解析了1,3-PDN的抑制效果及作用机制。研究发现，相较于3-NOP，1,3-PDN具有更强的细胞渗透能力，能够在产甲烷古菌Methanobrevibacter olleyae细胞内实现更高水平的富集（图1）。在瘤胃体外发酵体系中，1,3-PDN显著抑制甲烷生成，48 h累计甲烷产量降低约55%，氢气积累约增加11倍（图2）。宏转录组分析进一步表明，1,3-PDN可显著重塑活跃产甲烷古菌群落结构，降低多个产甲烷古菌类群的活性，其中氢营养型产甲烷菌的响应最为明显。纯培养试验进一步验证了1,3-PDN对瘤胃来源氢营养型产甲烷古菌M. olleyae的显著抑制作用。结合分子对接与蛋白质组学分析，研究进一步揭示，1,3-PDN可能与甲烷生成关键酶MCR的活性区域发生相互作用，并通过下调MCR和四氢甲烷蝶呤甲基转移酶（tetrahydromethanopterin S-methyltransferase，MTR）相关亚基的表达水平，扰动甲烷生成过程中多个氧化还原相关代谢过程，从而发挥抑制作用。
相关成果以Intracellular accumulation of hydrophobic 1,3-PDN inhibits methanogenesis in rumen methanogens为题在国际微生物生态学顶级期刊The ISME Journal（一区TOP，IF=10.2）上发表。此研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持，亚热带生态所博士研究生欧阳冰姿和博士研究生曹玉荣为本论文共同第一作者，亚热带生态所王敏研究员、中国科学院微生物研究所李洁研究员和亚热带生态所张秀敏副研究员为共同通讯作者。
图1 1,3-PDN /3-NOP 在产甲烷古菌M. olleyae的细胞内的累积情况
图2 体外模拟瘤胃发酵中1,3-PDN对甲烷和氢气生成的影响