微生物是土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程的驅(qū)動(dòng)者，因此微生物個(gè)體的活性將直接影響土壤碳的周轉(zhuǎn)速率。研究發(fā)現(xiàn)全球變暖會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)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(jié)構(gòu)，進(jìn)而加速了有機(jī)碳的分解。但是，由于土壤微生物具有個(gè)體小、數(shù)量多和功能復(fù)雜等特征，如何量化升溫后土壤微生物個(gè)體水平上的功能變化、如何建立微生物的功能與土壤碳循環(huán)過(guò)程間的關(guān)系一直是土壤學(xué)者面臨的難題。
穩(wěn)定性同位素核酸探針技術(shù)（SIP）將穩(wěn)定性同位素示蹤和分子生物學(xué)方法相結(jié)合，能夠在復(fù)雜的環(huán)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(zhì)轉(zhuǎn)化的功能微生物信息。2000年英國(guó)J. Colin Murrell教授實(shí)驗(yàn)室首次完成了13C-SIP實(shí)驗(yàn)（Murrell et al. 2000, Nature），開拓了穩(wěn)定性同位素示蹤微生物基因組的研究領(lǐng)域。但是，這種SIP技術(shù)只能定性指示哪些微生物參與某個(gè)特定的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程，而不能量化這些微生物對(duì)物質(zhì)循環(huán)的貢獻(xiàn)。定量穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)（qSIP）技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題。在普通SIP方法的基礎(chǔ)上，qSIP結(jié)合實(shí)時(shí)定量PCR和高通量測(cè)序技術(shù)，利用模型可以計(jì)算每個(gè)微生物同化同位素的量，進(jìn)而量化微生物參與的特定生態(tài)學(xué)過(guò)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(jī)碳分解間的關(guān)系還存在諸多不確定性。基于此，沈陽(yáng)生態(tài)所王超副研究員與美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)、北亞利桑那大學(xué)等單位的學(xué)者進(jìn)行合作，從熱帶、溫帶、寒帶和北極采集土壤進(jìn)行增溫模擬實(shí)驗(yàn)，利用qSIP技術(shù)量化了土壤微生物的生長(zhǎng)速率及其溫度敏感性，同步測(cè)量土壤有機(jī)碳的礦化速率和溫度敏感性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）增溫加速了土壤有機(jī)碳的礦化速率，但是降低了有機(jī)碳礦化速率的溫度敏感性。同樣，增溫促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)速率、降低了微生物生長(zhǎng)速率的溫度敏感性（圖1）；2）線性回歸分析發(fā)現(xiàn)微生物生長(zhǎng)速率的溫度敏感性與土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性存在極顯著的正相關(guān)性（圖2），說(shuō)明土壤微生物活性對(duì)溫度的響應(yīng)是調(diào)控土壤碳釋放的關(guān)鍵因子；3）研究計(jì)算了每個(gè)微生物物種水平上的生長(zhǎng)速率及其溫度敏感性，發(fā)現(xiàn)微生物生長(zhǎng)速率的溫度敏感性具有顯著的生物進(jìn)化特征，即同一門或綱分類下的微生物的溫度敏感性數(shù)值相近（圖3）。這項(xiàng)研究表明，每個(gè)微生物的生理特征直接調(diào)控整個(gè)群落的功能性狀，進(jìn)而會(huì)影響土壤的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程。本研究首次量化了增溫對(duì)土壤微生物生長(zhǎng)速率的影響，為構(gòu)建具有微生物屬性的全球變化模型提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。
圖1. 土壤呼吸速率、微生物生長(zhǎng)速率以及各自的溫度敏感性
