微生物是土壤有機碳礦化過程的驅動者，微生物個體的活性將直接影響土壤碳的周轉速率。研究發現，全球變暖會促進土壤有機碳的釋放，可能的原因是升溫增加了土壤微生物的活性、改變了土壤微生物群落結構，進而加速了有機碳的分解。但是，由于土壤微生物具有個體小、數量多和功能復雜等特征，如何量化升溫后土壤微生物個體水平上的功能變化，建立微生物的功能與土壤碳循環過程間的關系一直是學者面臨的難題。

穩定性同位素核酸探針技術(SIP)將穩定性同位素示蹤和分子生物學方法相結合，能夠在復雜的環境中分析微米尺度下微生物的生理特性，以此獲取參與土壤物質轉化的功能微生物信息。2000年，英國科學家J. Colin Murrell實驗室首次完成了13C-SIP實驗(Murrell et al. 2000, Nature)，開拓了穩定性同位素示蹤微生物基因組的研究領域。但這種SIP技術只能定性指示哪些微生物參與某個特定的物質循環過程，不能量化這些微生物對物質循環的貢獻。定量穩定性同位素探針技術(qSIP)技術解決了這個問題。在普通SIP方法的基礎上，qSIP結合實時定量PCR和高通量測序技術，利用模型可以計算每個微生物同化同位素的量，進而量化微生物參與的特定生態學過程(Hungate et al. 2015, AEM)。

全球變暖引起土壤微生物生理活性的變化與土壤有機碳分解間的關系存在諸多不確定性。基于此，中國科學院沈陽應用生態研究所副研究員王超與美國西弗吉尼亞大學、北亞利桑那大學等的學者開展合作，從熱帶、溫帶、寒帶和北極采集土壤進行增溫模擬實驗，利用qSIP技術量化了土壤微生物的生長速率及其溫度敏感性，同步測量土壤有機碳的礦化速率和溫度敏感性。研究發現：增溫加速了土壤有機碳的礦化速率，但降低了有機碳礦化速率的溫度敏感性。同樣，增溫促進了微生物的生長速率、降低了微生物生長速率的溫度敏感性(圖1);線性回歸分析發現，微生物生長速率的溫度敏感性與土壤有機碳礦化的溫度敏感性存在極顯著的正相關性(圖2)，說明土壤微生物活性對溫度的響應是調控土壤碳釋放的關鍵因子;此外，研究計算了每個微生物物種水平上的生長速率及其溫度敏感性，發現微生物生長速率的溫度敏感性具有顯著的生物進化特征，即同一門或綱分類下微生物的溫度敏感性數值相近(圖3)。研究表明，每個微生物的生理特征直接調控整個群落的功能性狀，進而影響土壤的物質循環過程。該研究首次量化了增溫對土壤微生物生長速率的影響，為構建具有微生物屬性的全球變化模型提供了強有力的數據和技術支持。

相關研究成果以The temperature sensitivity of soil: microbial biodiversity, growth, and carbon mineralization為題，發表在The ISME Journal上。沈陽生態所王超為論文第一作者，論文通訊作者為副教授Ember Morrissey。研究工作得到中科院青年創新促進會、基礎前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新項目等的支持。

 
圖1.土壤呼吸速率、微生物生長速率以及各自的溫度敏感性

 

圖2.土壤呼吸速率溫度敏感性與微生物生長速率敏感性間的關系

 
圖3.土壤微生物生長速率溫度敏感性的生物進化關系

來源：中國科學院沈陽應用生態研究所