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Distinct microbial hydrogen and reductant disposal pathways explain interbreed variations in ruminant methane yield

产甲烷 乙酸化 氢化酶 瘤胃 甲烷 发酵 反刍动物 化学 丙酸盐 代谢途径 生物 生物化学 食品科学 环境化学 新陈代谢 农学 生态学 作物
作者
Qiushuang Li,Zhiyuan Ma,Jiabin Huo,Xiumin Zhang,Rong Wang,Shizhe Zhang,Jinzhen Jiao,Xiyang Dong,Peter H. Janssen,Emilio M. Ungerfeld,Chris Greening,Zhiliang Tan,Min Wang
出处
期刊:The ISME Journal [Springer Nature]
卷期号:18 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1093/ismejo/wrad016
摘要

Abstract Ruminants are essential for global food security, but these are major sources of the greenhouse gas methane. Methane yield is controlled by the cycling of molecular hydrogen (H2), which is produced during carbohydrate fermentation and is consumed by methanogenic, acetogenic, and respiratory microorganisms. However, we lack a holistic understanding of the mediators and pathways of H2 metabolism and how this varies between ruminants with different methane-emitting phenotypes. Here, we used metagenomic, metatranscriptomic, metabolomics, and biochemical approaches to compare H2 cycling and reductant disposal pathways between low-methane-emitting Holstein and high-methane-emitting Jersey dairy cattle. The Holstein rumen microbiota had a greater capacity for reductant disposal via electron transfer for amino acid synthesis and propionate production, catalyzed by enzymes such as glutamate synthase and lactate dehydrogenase, and expressed uptake [NiFe]-hydrogenases to use H2 to support sulfate and nitrate respiration, leading to enhanced coupling of H2 cycling with less expelled methane. The Jersey rumen microbiome had a greater proportion of reductant disposal via H2 production catalyzed by fermentative hydrogenases encoded by Clostridia, with H2 mainly taken up through methanogenesis via methanogenic [NiFe]-hydrogenases and acetogenesis via [FeFe]-hydrogenases, resulting in enhanced methane and acetate production. Such enhancement of electron incorporation for metabolite synthesis with reduced methanogenesis was further supported by two in vitro measurements of microbiome activities, metabolites, and public global microbiome data of low- and high-methane-emitting beef cattle and sheep. Overall, this study highlights the importance of promoting alternative H2 consumption and reductant disposal pathways for synthesizing host-beneficial metabolites and reducing methane production in ruminants.
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