糖類與脂類碳源引發激發效應的差異及其微生物調控機制
寫在前面土壤激發效應（priming effect）是指外源碳源輸入引發土壤有機碳（SOC）礦化速率變化的現象，在全球碳循環中具有重要意義。然而，不同類型碳源輸入所引起的激發效應強度差異，背后的微生物機制尚不清晰。尤其是微生物如何以不同代謝策略應對差異碳源（如糖類與脂類），進而調控激發效應強弱與最終固碳效應，仍缺乏規律與機制的認識。基于此，浙江大學徐建明團隊通過整合全球449組數據的Meta分析與13C標記同位素探針-宏基因組（SIP-Metagenomics）實驗，系統比較了糖類（以葡萄糖為代表）與脂類（以甘油為代表）碳源引發激發效應的差異及其微生物驅動的代謝機制。研究以“Deciphering microbial metabolisms underlying substrate-specific soil priming effects”為題發表在國際土壤權威期刊《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土水資源與環境研究所博士后符穎怡，通訊作者是浙江大學羅煜副教授。主要結果-01-全球尺度上糖類碳源激發效應更強通過對全球449組實驗的Meta分析，發現糖類碳源平均引發的激發效應達35.96%，顯著高于脂類碳源的18.18%。這一趨勢在同位素標記的短期孵育實驗中亦得到驗證：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，進而引發SOC礦化。
圖1糖類與脂類碳源在全球尺度上引發的激發效應差異及實驗驗證
不同類型碳源驅動了顯著差異的微生物群落組成
DNA-SIP結合16S rRNA測序結果顯示，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，且群落結構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，導致微生物群落組成發生系統性變化。
圖2利用不同碳源的微生物群落結構
微生物代謝模式的差異是激發效應強弱的關鍵機制SIP-宏基因組功能結果表明，葡萄糖處理顯著富集了與糖代謝和能量生成相關的核心代謝通路（包括糖酵解、檸檬酸循環、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的有機碳分解能力。相比之下，甘油利用者更偏向于胞內物質的合成代謝，群落中富集了甘油運輸與代謝相關基因（如glpF、glpK、glpD等），以及多種糖基轉移酶（GT2、GT4、GT83等），主要參與細胞膜脂、糖復合物等結構性物質的生物合成。
這種代謝路徑的差異，本質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通路，傾向于將能量投入到SOC的分解與碳釋放過程，表現為典型的“分解導向”特征；而甘油利用群落則富集了合成相關基因，如糖基轉移酶和脂類合成通路，更多將代謝資源用于胞內合成過程，表現出較低的外源SOC分解能力。這種功能分化機制從代謝層面解釋了糖類碳源更易激發SOC礦化，而脂類碳源激發效應相對較弱的原因。
圖3不同碳源調控微生物代謝路徑
本研究結合全球449組數據的Meta分析與13C同位素標記宏基因組實驗，從“碳源類型—微生物代謝—激發效應”鏈條出發，系統解析了糖類與脂類碳源引發激發效應的差異及其微生物調控機制。研究發現，不同碳源通過選擇性富集特定微生物類群，驅動微生物代謝在“胞外分解導向”與“胞內合成導向”之間發生分化，進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，表現出顯著激發效應；而以甘油為代表的胞內合成模式則促進外源碳向微生物結構性物質的轉化與穩定化積累，體現出潛在的固碳效益。據此，研究提出了基于胞內/胞外代謝分化的土壤碳歸宿調控機制，深化了對碳源輸入影響土壤碳轉化路徑的過程理解，并為構建以微生物代謝調控為核心的碳管理體系提供了理論支撐。