糖類與脂類碳源引發(fā)激發(fā)效應(yīng)的差異及其微生物調(diào)控機(jī)制
寫在前面土壤激發(fā)效應(yīng)（priming effect）是指外源碳源輸入引發(fā)土壤有機(jī)碳（SOC）礦化速率變化的現(xiàn)象，在全球碳循環(huán)中具有重要意義。然而，不同類型碳源輸入所引起的激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度差異，背后的微生物機(jī)制尚不清晰。尤其是微生物如何以不同代謝策略應(yīng)對(duì)差異碳源（如糖類與脂類），進(jìn)而調(diào)控激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)弱與最終固碳效應(yīng)，仍缺乏規(guī)律與機(jī)制的認(rèn)識(shí)。基于此，浙江大學(xué)徐建明團(tuán)隊(duì)通過整合全球449組數(shù)據(jù)的Meta分析與13C標(biāo)記同位素探針-宏基因組（SIP-Metagenomics）實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)比較了糖類（以葡萄糖為代表）與脂類（以甘油為代表）碳源引發(fā)激發(fā)效應(yīng)的差異及其微生物驅(qū)動(dòng)的代謝機(jī)制。研究以“Deciphering microbial metabolisms underlying substrate-specific soil priming effects”為題發(fā)表在國(guó)際土壤權(quán)威期刊《Soil Biology and Biochemistry》上（https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2025.109885），論文第一作者是浙江大學(xué)土水資源與環(huán)境研究所博士后符穎怡，通訊作者是浙江大學(xué)羅煜副教授。主要結(jié)果-01-全球尺度上糖類碳源激發(fā)效應(yīng)更強(qiáng)通過對(duì)全球449組實(shí)驗(yàn)的Meta分析，發(fā)現(xiàn)糖類碳源平均引發(fā)的激發(fā)效應(yīng)達(dá)35.96%，顯著高于脂類碳源的18.18%。這一趨勢(shì)在同位素標(biāo)記的短期孵育實(shí)驗(yàn)中亦得到驗(yàn)證：在14天的孵育過程中，添加葡萄糖的處理釋放的CO2始終高于甘油處理。這表明糖類碳源更易被微生物迅速利用，進(jìn)而引發(fā)SOC礦化。
圖1糖類與脂類碳源在全球尺度上引發(fā)的激發(fā)效應(yīng)差異及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
不同類型碳源驅(qū)動(dòng)了顯著差異的微生物群落組成
DNA-SIP結(jié)合16S rRNA測(cè)序結(jié)果顯示，利用葡萄糖的微生物群落多樣性明顯高于利用甘油的群落，且群落結(jié)構(gòu)在不同碳源處理間存在顯著分化。葡萄糖利用者分布于多個(gè)門類，主要包括放線菌門（Actinobacteria）和變形菌門（Proteobacteria）；而甘油利用者則主要集中在厚壁菌門（Firmicutes），以芽孢桿菌（Bacillus）和鏈霉菌（Streptomyces）為代表。這表明不同碳源具有顯著的微生物選擇效應(yīng)，導(dǎo)致微生物群落組成發(fā)生系統(tǒng)性變化。
圖2利用不同碳源的微生物群落結(jié)構(gòu)
微生物代謝模式的差異是激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)弱的關(guān)鍵機(jī)制SIP-宏基因組功能結(jié)果表明，葡萄糖處理顯著富集了與糖代謝和能量生成相關(guān)的核心代謝通路（包括糖酵解、檸檬酸循環(huán)、戊糖磷酸途徑等），并伴隨著糖苷水解酶（GHs）等胞外酶合成基因的明顯增加，表明其微生物群落具有更強(qiáng)的有機(jī)碳分解能力。相比之下，甘油利用者更偏向于胞內(nèi)物質(zhì)的合成代謝，群落中富集了甘油運(yùn)輸與代謝相關(guān)基因（如glpF、glpK、glpD等），以及多種糖基轉(zhuǎn)移酶（GT2、GT4、GT83等），主要參與細(xì)胞膜脂、糖復(fù)合物等結(jié)構(gòu)性物質(zhì)的生物合成。
這種代謝路徑的差異，本質(zhì)上反映了微生物在不同碳源輸入下的能量分配策略：葡萄糖利用群落富集了能量代謝和胞外酶合成相關(guān)通路，傾向于將能量投入到SOC的分解與碳釋放過程，表現(xiàn)為典型的“分解導(dǎo)向”特征；而甘油利用群落則富集了合成相關(guān)基因，如糖基轉(zhuǎn)移酶和脂類合成通路，更多將代謝資源用于胞內(nèi)合成過程，表現(xiàn)出較低的外源SOC分解能力。這種功能分化機(jī)制從代謝層面解釋了糖類碳源更易激發(fā)SOC礦化，而脂類碳源激發(fā)效應(yīng)相對(duì)較弱的原因。
圖3不同碳源調(diào)控微生物代謝路徑
本研究結(jié)合全球449組數(shù)據(jù)的Meta分析與13C同位素標(biāo)記宏基因組實(shí)驗(yàn)，從“碳源類型—微生物代謝—激發(fā)效應(yīng)”鏈條出發(fā)，系統(tǒng)解析了糖類與脂類碳源引發(fā)激發(fā)效應(yīng)的差異及其微生物調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，不同碳源通過選擇性富集特定微生物類群，驅(qū)動(dòng)微生物代謝在“胞外分解導(dǎo)向”與“胞內(nèi)合成導(dǎo)向”之間發(fā)生分化，進(jìn)而在宏觀層面塑造了土壤碳“去”與“留”的歸宿路徑：以葡萄糖為代表的胞外分解模式促使SOC向CO?釋放，表現(xiàn)出顯著激發(fā)效應(yīng)；而以甘油為代表的胞內(nèi)合成模式則促進(jìn)外源碳向微生物結(jié)構(gòu)性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定化積累，體現(xiàn)出潛在的固碳效益。據(jù)此，研究提出了基于胞內(nèi)/胞外代謝分化的土壤碳?xì)w宿調(diào)控機(jī)制，深化了對(duì)碳源輸入影響土壤碳轉(zhuǎn)化路徑的過程理解，并為構(gòu)建以微生物代謝調(diào)控為核心的碳管理體系提供了理論支撐。
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