综述：靶向甲基辅酶M还原酶的植物化学策略在反刍动物甲烷减排中的应用：从计算发现到饲料应用

《Animal Feed Science and Technology》：Phytochemical strategies targeting methyl coenzyme m reductase for methane mitigation in ruminants: From computational discovery to feed applications

　　

摘要

反刍动物肠道甲烷的产生是温室气体排放的重要来源，也是日粮能量的重要损失途径。植物来源的植物化学物质已成为调控瘤胃甲烷生成的有前景的天然物质，包括其可能与甲烷形成过程中的末端酶——甲基辅酶M还原酶发生相互作用。本综述探讨了瘤胃甲烷生成的生化基础，并重点介绍了在识别甲基辅酶M还原酶候选植物化学物质抑制剂方面的最新计算进展，包括虚拟筛选、分子对接、分子动力学模拟和定量构效关系建模。这些计算机模拟工具可以支持大规模植物化学物质库的快速筛选和优先排序，但其预测结果需要谨慎解读，因为仅凭结合亲和力并不能确认其在瘤胃中的生物学效能。因此，本综述讨论了通过体外瘤胃发酵研究、受控体内试验、剂量优化、瘤胃发酵响应评估和动物生产性能评价进行后续验证的必要性。总体而言，本综述为识别潜在植物化学物质甲烷减排候选物提供了分子和计算框架，同时强调其转化为实际反刍动物饲喂策略仍有赖于进一步的营养、生物学和田间层面验证。

引言

甲烷（CH?）是一种强效温室气体，在全球变暖和气候变化中发挥重要作用（Filonchyk等，2024年）。尽管其大气浓度低于二氧化碳（CO?），但甲烷的全球变暖潜能值远大于二氧化碳，约为100年时间跨度下二氧化碳的28倍（Severinsky和Sessoms，2021年）。这种增强的效力是由于甲烷具有更强的吸收红外辐射能力，因此它是气候变化缓解 efforts 的重要目标（Jackson等，2021年）。自工业革命前以来，大气中的甲烷含量急剧上升，增加了约150%（Nisbet等，2023年）。在过去的两个世纪中，排放量加速增长，据估计国际甲烷排放总量约为5.7亿吨公吨（Jackson等，2024年）。根据现有估计，农业约占全球人为甲烷排放量的40%（Smith等，2021年）。

反刍家畜贡献了约27%的全球人为甲烷排放量，仅牛每年就产生约7350万吨公吨甲烷（Ranaweera和Baik，2024年，Smith等，2022年）。现有的减少反刍动物甲烷排放的策略多种多样，从饲料操纵到遗传选择均有涉及。这些策略大致可分为营养、微生物、动物和管理四大类。营养干预涉及通过调整饲料结构来提高瘤胃效率并减少甲烷输出，包括增加饲料中的精料含量、饲喂优质牧草、添加脂质以及采用精准饲喂策略（Davis，2021年）。此类干预措施可将甲烷排放减少2%–30%，具体幅度因干预类型和控制日粮的不同而异（Purba和Sangsawad，2025年）。饲料添加剂是另一类重要的甲烷减排选项（Hristov等，2025年）。其中合成化学物质如3-硝基氧基丙醇（3-NOP）是MCR酶的抑制剂，已显示出20%–40%的甲烷减排潜力（Yu等，2021年）。基于动物的策略包括对低甲烷排放动物进行遗传选择，这利用了群体中个体之间甲烷排放量的自然差异（Króliczewska等，2023年）。早期生命编程以建立低甲烷排放的瘤胃微生物组是另一种新兴方法。管理措施如改善动物健康和繁殖力、降低初产年龄、优化饲养密度等，可通过提高整体生产效率间接降低单位产品的甲烷排放量（Clasen等，2024年）。

植物化学物质也近年来成为减少甲烷排放的有前景的天然选择。不同的生物活性剂已被证明通过多种机制发挥抗甲烷生成作用（Dinakarkumar等，2021年）。这些化合物可直接抑制产甲烷菌、影响瘤胃发酵模式或减少原生动物数量从而降低甲烷产生（Rashama等，2021年）。

甲基辅酶M还原酶提供了一个具有生物学意义的分子靶标，因为它催化甲烷生成的末端步骤，并且在产甲烷古菌中高度保守。计算方法通过识别对MCR活性位点具有预测亲和力、稳定的配体-酶相互作用以及潜在有利构效特征的化合物，从而支持植物化学物质的发现（Liu等，2025年）。其价值在于将大规模植物化学物质库缩小为数量较少、机制上合理的候选物，以便后续开展体外瘤胃发酵研究、受控动物试验和营养评价。

因此，本综述的核心重点不是泛泛的甲烷减排，而是将计算工具作为开发针对MCR的植物化学物质候选物的早期优先筛选阶段。本综述批判性地将分子预测与实现实际应用所需的生物学和营养条件联系起来，包括瘤胃微生物复杂性、化合物生物利用度、日粮依赖性响应、剂量、发酵稳定性、动物生产性能和饲料投喂方式。通过将计算筛选定位为验证途径中的一个环节，本综述旨在将分子层面的发现与实际开发植物源添加剂用于反刍动物甲烷减排所面临的挑战连接起来。

相关同行评议文献通过检索Web of Science、Scopus和PubMed数据库，使用与肠道甲烷减排、瘤胃甲烷生成、植物化学物质、植物次生代谢物、甲基辅酶M还原酶、分子对接、分子动力学模拟、虚拟筛选、QSAR、饲料添加剂和反刍动物营养相关关键词的组合进行检索。纳入的研究涉及以下一个或多个领域：植物化学物质对甲烷产生的影响、瘤胃发酵响应、MCR或产甲烷酶抑制、天然化合物的计算筛选、体外瘤胃发酵验证、体内反刍动物饲喂试验或实用饲料添加剂开发。优先考虑近期发表的同行评议研究、系统综述、荟萃分析以及与反刍动物甲烷减排具有明确相关性的实验研究。当研究不涉及反刍动物系统、缺乏与植物化学物质或甲烷减排机制的相关性，或仅提供一般性信息而未与饲料应用或甲烷生成建立联系时，则降低其优先级。

章节摘要

甲基辅酶M还原酶（MCR）在甲烷合成中的作用与重要性

反刍动物的甲烷生成主要发生在瘤胃中，瘤胃是一个富含微生物群落的发酵室（图1）。甲烷生成是一个复杂的过程，涉及不同微生物群落之间的相互作用，包括细菌、原生动物、真菌和产甲烷菌（Sanjorjo等，2023年）。瘤胃微生物群包含每毫升约10¹⁰–10¹¹个微生物细胞，其中约10⁷–10⁹个为产甲烷古菌（Sanjorjo等，2023年）。产甲烷菌属于

植物化学物质作为抗甲烷生成饲料添加剂候选物：机制、变异性与营养学局限性

植物来源的植物化学物质，包括单宁、皂苷、精油、黄酮类化合物、生物碱、萜类化合物和酚酸，已被广泛研究作为反刍动物系统中的天然抗甲烷生成剂（Rashama等，2021年；Ibrahim等，2022年）（图4）。这些化合物可能通过直接和间接机制减少甲烷形成（表1）。直接作用包括抑制产甲烷古菌、破坏细胞膜完整性、干扰微生物

将MCR靶向作为植物化学物质饲料添加剂发现的优先策略

甲基辅酶M还原酶是甲烷减排的一个有用功能靶标，因为它催化末端甲烷生成步骤，并且是产甲烷古菌所特有的（Dinakarkumar等，2021年）（图5）。从营养学角度来看，这种特异性很重要，因为理想的植物化学物质添加剂应能减少甲烷生成，同时不会广泛抑制参与纤维降解、挥发性脂肪酸产生和营养物质利用的有益瘤胃微生物。

从分子预测到营养学验证

为了识别最具前景的化合物，所有对接的植物化学物质均根据其在MCR活性口袋中的预测结合亲和力、相互作用类型和靶位特异性进行排序。重点关注以下特征的化合物：

• •
  高结合能（≤ ?8.5 kcal/mol）
• •
  与Ni(I)及周围氨基酸残基直接相互作用（例如Tyr333、Arg120、Gln147）
• •
  在分子动力学轨迹中保持稳定构象
• •
  对MCR和氢化酶相关酶均具有双重抑制潜力

该排序

实际兽医应用与挑战

通过分子对接和计算机模拟筛选识别的植物化学物质，只有在实际饲喂条件下其预测活性得以维持，才能被认为适用于反刍动物甲烷减排。在瘤胃中，候选化合物必须保持足够稳定和生物可利用性，以有效浓度到达产甲烷靶点，并在减少甲烷生成的同时不损害瘤胃环境（pH、渗透压、氧化还原电位）、纤维消化和挥发性脂肪酸

未来展望

未来研究应着重缩小计算预测与实际营养应用之间的差距。虽然分子对接、分子动力学模拟、虚拟筛选和QSAR建模有助于优先筛选具有潜在MCR导向活性的植物化学物质，但这些方法应仅作为早期筛选工具。其真正的价值取决于预测候选物能否在瘤胃和动物生产条件下得到验证（Liu等，2024年，Liu

结论

植物化学物质是减少反刍动物肠道甲烷排放的有前景但具有情境依赖性的候选物。靶向甲基辅酶M还原酶为优先筛选具有潜在抗甲烷生成活性的化合物提供了有用的机制基础，计算工具可以帮助在实验测试前缩小大规模植物化学物质库。然而，预测的分子亲和力不应被解读为实际效能的证据。这些

CRediT作者贡献声明

Yuvaraj Dinakarkumar：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，概念构思。 Selvaraj Arokiyaraj：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，概念构思。 C.M. Mathan Muthu：可视化。 Agastian Paul：验证。

资助

本文未获得任何资助。

利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本论文所载工作的已知经济利益冲突或个人关系。

Yuvaraj Dinakarkumar | Selvaraj Arokiyaraj | C.M. Mathan Muthu | Agastian Paul