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Alternative hydrogen uptake pathways suppress methane production in ruminants

乙酸化 产甲烷 瘤胃 氢化酶 生物 梭状芽孢杆菌 瘤胃球菌 琥珀酸纤维杆菌 生物化学 发酵 微生物学 细菌 食品科学 遗传学 肠道菌群
作者
Chris Greening,Renae Geier,Cecilia Wang,Laura C. Woods,Sergio E. Morales,Michael J. McDonald,Rowena Rushton-Green,Xochitl C. Morgan,Satoshi Koike,Sinead C. Leahy,William J. Kelly,Isaac Cann,Graeme T. Attwood,Gregory M. Cook,Roderick I. Mackie
出处
期刊: [Cold Spring Harbor Laboratory]
被引量:4
标识
DOI:10.1101/486894
摘要

Abstract Farmed ruminants are the largest source of anthropogenic methane emissions globally. The methanogenic archaea responsible for these emissions use molecular hydrogen (H 2 ), produced during bacterial and eukaryotic carbohydrate fermentation, as their primary energy source. In this work, we used comparative genomic, metatranscriptomic, and co-culture-based approaches to gain a system-wide understanding of the organisms and pathways responsible for ruminal H 2 metabolism. Two thirds of sequenced rumen bacterial and archaeal genomes encode enzymes that catalyze H 2 production or consumption, including 26 distinct hydrogenase subgroups. Metatranscriptomic analysis confirmed that these hydrogenases are differentially expressed in sheep rumen. Electron-bifurcating [FeFe]-hydrogenases from carbohydrate-fermenting Clostridia (e.g. Ruminococcus ) accounted for half of all hydrogenase transcripts. Various H 2 uptake pathways were also expressed, including methanogenesis ( Methanobrevibacter ), fumarate reduction and nitrate ammonification ( Selenomonas ), and acetogenesis ( Blautia ). Whereas methanogenesis predominated in high methane yield sheep, alternative uptake pathways were significantly upregulated in low methane yield sheep. Complementing these findings, we observed significant differential expression and activity of the hydrogenases of the hydrogenogenic cellulose fermenter Ruminococcus albus and the hydrogenotrophic fumarate reducer Wolinella succinogenes in co-culture compared to pure culture. We conclude that H 2 metabolism is a more complex and widespread trait among rumen microorganisms than previously recognized. There is evidence that alternative hydrogenotrophs, including acetogens and selenomonads, can prosper in the rumen and effectively compete with methanogens for H 2 in low methane yield ruminants. Strategies to increase flux through alternative H 2 uptake pathways, including animal selection, dietary supplementation, and methanogenesis inhibitors, may lead to sustained methane mitigation.

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