糖类与脂类碳源引发激发效应的差异及其微生物调控机制
写在前面土壤激发效应（priming effect）是指外源碳源输入引发土壤有机碳（SOC）矿化速率变化的现象，在全球碳循环中具有重要意义。然而，不同类型碳源输入所引起的激发效应强度差异，背后的微生物机制尚不清晰。尤其是微生物如何以不同代谢策略应对差异碳源（如糖类与脂类），进而调控激发效应强弱与最终固碳效应，仍缺乏规律与机制的认识。基于此，浙江大学徐建明团队通过整合全球449组数据的Meta分析与13C标记同位素探针-宏基因组（SIP-Metagenomics）实验，系统比较了糖类（以葡萄糖为代表）与脂类（以甘油为代表）碳源引发激发效应的差异及其微生物驱动的代谢机制。研究以“Deciphering microbial metabolisms underlying substrate-specific soil priming effects”为题发表在国际土壤权威期刊《Soil Biology and Biochemistry》上（https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2025.109885），论文第一作者是浙江大学土水资源与环境研究所博士后符颖怡，通讯作者是浙江大学罗煜副教授。主要结果-01-全球尺度上糖类碳源激发效应更强通过对全球449组实验的Meta分析，发现糖类碳源平均引发的激发效应达35.96%，显著高于脂类碳源的18.18%。这一趋势在同位素标记的短期孵育实验中亦得到验证：在14天的孵育过程中，添加葡萄糖的处理释放的CO2始终高于甘油处理。这表明糖类碳源更易被微生物迅速利用，进而引发SOC矿化。
图1糖类与脂类碳源在全球尺度上引发的激发效应差异及实验验证
不同类型碳源驱动了显著差异的微生物群落组成
DNA-SIP结合16S rRNA测序结果显示，利用葡萄糖的微生物群落多样性明显高于利用甘油的群落，且群落结构在不同碳源处理间存在显著分化。葡萄糖利用者分布于多个门类，主要包括放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）；而甘油利用者则主要集中在厚壁菌门（Firmicutes），以芽孢杆菌（Bacillus）和链霉菌（Streptomyces）为代表。这表明不同碳源具有显著的微生物选择效应，导致微生物群落组成发生系统性变化。
图2利用不同碳源的微生物群落结构
微生物代谢模式的差异是激发效应强弱的关键机制SIP-宏基因组功能结果表明，葡萄糖处理显著富集了与糖代谢和能量生成相关的核心代谢通路（包括糖酵解、柠檬酸循环、戊糖磷酸途径等），并伴随着糖苷水解酶（GHs）等胞外酶合成基因的明显增加，表明其微生物群落具有更强的有机碳分解能力。相比之下，甘油利用者更偏向于胞内物质的合成代谢，群落中富集了甘油运输与代谢相关基因（如glpF、glpK、glpD等），以及多种糖基转移酶（GT2、GT4、GT83等），主要参与细胞膜脂、糖复合物等结构性物质的生物合成。
这种代谢路径的差异，本质上反映了微生物在不同碳源输入下的能量分配策略：葡萄糖利用群落富集了能量代谢和胞外酶合成相关通路，倾向于将能量投入到SOC的分解与碳释放过程，表现为典型的“分解导向”特征；而甘油利用群落则富集了合成相关基因，如糖基转移酶和脂类合成通路，更多将代谢资源用于胞内合成过程，表现出较低的外源SOC分解能力。这种功能分化机制从代谢层面解释了糖类碳源更易激发SOC矿化，而脂类碳源激发效应相对较弱的原因。
图3不同碳源调控微生物代谢路径
本研究结合全球449组数据的Meta分析与13C同位素标记宏基因组实验，从“碳源类型—微生物代谢—激发效应”链条出发，系统解析了糖类与脂类碳源引发激发效应的差异及其微生物调控机制。研究发现，不同碳源通过选择性富集特定微生物类群，驱动微生物代谢在“胞外分解导向”与“胞内合成导向”之间发生分化，进而在宏观层面塑造了土壤碳“去”与“留”的归宿路径：以葡萄糖为代表的胞外分解模式促使SOC向CO₂释放，表现出显著激发效应；而以甘油为代表的胞内合成模式则促进外源碳向微生物结构性物质的转化与稳定化积累，体现出潜在的固碳效益。据此，研究提出了基于胞内/胞外代谢分化的土壤碳归宿调控机制，深化了对碳源输入影响土壤碳转化路径的过程理解，并为构建以微生物代谢调控为核心的碳管理体系提供了理论支撑。
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