微生物是土壤有機碳礦化過程的驅(qū)動者，因此微生物個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(jié)構(gòu)，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(shù)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、如何建立微生物的功能與土壤碳循環(huán)過程間的關(guān)系一直是土壤學者面臨的難題。
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方法相結(jié)合，能夠在復雜的環(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J. Colin Murrell教授實驗室首次完成了13C-SIP實驗（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特定的物質(zhì)循環(huán)過程，而不能量化這些微生物對物質(zhì)循環(huán)的貢獻。定量穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)（qSIP）技術(shù)解決了這個問題。在普通SIP方法的基礎(chǔ)上，qSIP結(jié)合實時定量PCR和高通量測序技術(shù)，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(tài)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(guān)系還存在諸多不確定性。基于此，沈陽生態(tài)所王超副研究員與美國西弗吉尼亞大學、北亞利桑那大學等單位的學者進行合作，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(shù)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，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）增溫加速了土壤有機碳的礦化速率，但是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）；2）線性回歸分析發(fā)現(xiàn)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(guān)性（圖2），說明土壤微生物活性對溫度的響應是調(diào)控土壤碳釋放的關(guān)鍵因子；3）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(fā)現(xiàn)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的微生物的溫度敏感性數(shù)值相近（圖3）。這項研究表明，每個微生物的生理特征直接調(diào)控整個群落的功能性狀，進而會影響土壤的物質(zhì)循環(huán)過程。本研究首次量化了增溫對土壤微生物生長速率的影響，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、微生物生長速率以及各自的溫度敏感性
