近日,我所王超研究員團(tuán)隊(duì)在氧同位素(18O)影響微生物功能屬性研究方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)依托長(zhǎng)白山闊葉紅松林土壤研究平臺(tái),分析了示蹤劑18O-H2O標(biāo)記豐度對(duì)土壤微生物組成與生理功能的影響規(guī)律,成果為優(yōu)化穩(wěn)定同位素探針技術(shù)及促進(jìn)多研究間結(jié)果比較提供了科學(xué)參考。
微生物是驅(qū)動(dòng)土壤碳、氮、磷等元素循環(huán)的核心生物類群,準(zhǔn)確量化微生物生長(zhǎng)、活性及其參與的生物地球化學(xué)過(guò)程,是深入理解土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的重要基礎(chǔ)。穩(wěn)定同位素探針技術(shù)(Stable Isotope Probing, SIP)將穩(wěn)定同位素標(biāo)記與微生物組學(xué)分析相結(jié)合,是當(dāng)前解析微生物關(guān)鍵生理過(guò)程和功能類群的重要方法,在識(shí)別參與碳、氮、磷等元素循環(huán)的活性微生物方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
SIP技術(shù)通常通過(guò)向土壤中添加含有13C、15N或18O等穩(wěn)定同位素標(biāo)記的底物,使參與相應(yīng)物質(zhì)循環(huán)過(guò)程的微生物在利用底物后,將同位素信號(hào)摻入其DNA或RNA中。隨后,結(jié)合密度梯度超速離心、高通量測(cè)序和數(shù)學(xué)模型,定量識(shí)別參與特定過(guò)程的活性微生物類群。然而,該技術(shù)的一個(gè)重要前提是:穩(wěn)定同位素標(biāo)記物本身不會(huì)顯著改變微生物組成或功能特征。如果高豐度同位素標(biāo)記物,特別是18O-H2O,對(duì)微生物產(chǎn)生生理脅迫并改變其生態(tài)過(guò)程,則可能導(dǎo)致SIP實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差,并影響不同標(biāo)記豐度研究之間的可比性。
針對(duì)這一問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所王超研究員團(tuán)隊(duì),以長(zhǎng)白山闊葉紅松林有機(jī)層土壤為研究對(duì)象,以18O-H2O作為穩(wěn)定同位素示蹤劑,設(shè)置0.2-80 atom% 18O的連續(xù)標(biāo)記豐度梯度,結(jié)合高通量全長(zhǎng)測(cè)序、功能基因分析和微生物生長(zhǎng)測(cè)定等方法,系統(tǒng)評(píng)估18O-H2O標(biāo)記豐度對(duì)土壤微生物群落組成、功能基因譜和生理過(guò)程的影響。研究發(fā)現(xiàn),約6%的細(xì)菌類群對(duì)18O-H2O豐度梯度表現(xiàn)出顯著響應(yīng),但這些類群貢獻(xiàn)了約50%的群落相對(duì)豐度,說(shuō)明少數(shù)優(yōu)勢(shì)類群對(duì)同位素標(biāo)記豐度變化較為敏感。進(jìn)一步分析表明,負(fù)響應(yīng)和正響應(yīng)類群分別在約25和40 atom%18O附近出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn);其次,微生物功能基因響應(yīng)閾值略高,負(fù)響應(yīng)和正響應(yīng)分別在約40和45 atom% 18O附近;微生物呼吸在約22 atom% 18O附近出現(xiàn)閾值響應(yīng),而微生物生長(zhǎng)隨18O-H2O豐度增加僅表現(xiàn)出輕微上升趨勢(shì),未檢測(cè)到明確的閾值響應(yīng)。
上述結(jié)果表明,18O-H2O標(biāo)記豐度可對(duì)土壤微生物產(chǎn)生協(xié)調(diào)但過(guò)程特異的閾值效應(yīng)。盡管不存在適用于所有SIP實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一標(biāo)記豐度,但當(dāng)18O-H2O標(biāo)記豐度超過(guò)40 atom% 18O時(shí),可能對(duì)土壤微生物群落和功能產(chǎn)生明顯擾動(dòng)。因此,本研究建議18O-H2O標(biāo)記豐度不要超過(guò)40 atom% 18O。
該研究成果以“Threshold responses of soil microbial communities and functions to 18O-H2O enrichment”為題,于2026年6月5日在線發(fā)表于《Soil Biology and Biochemistry》。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所博士研究生曲芳瑩為第一作者,王超研究員為通訊作者。該研究得到中國(guó)科學(xué)院黑土地保護(hù)與利用專項(xiàng)和自然基金等項(xiàng)目資助。
論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071726001355

圖1?微生物群落結(jié)構(gòu)和物種組成隨著18O-H2O豐度的變化規(guī)律及閾值

圖2?微生物功能基因隨著18O-H2O豐度的變化規(guī)律及閾值

圖3?微生物生理過(guò)程隨著18O-H2O豐度的變化規(guī)律及閾值。包括微生物DNA中18O豐度、呼吸速率、生長(zhǎng)速率、碳利用效率和周轉(zhuǎn)速率




