近日，我所王超研究员团队在氧同位素(¹⁸O)影响微生物功能属性研究方面取得新进展。团队依托长白山阔叶红松林土壤研究平台，分析了示踪剂¹⁸O-H₂O标记丰度对土壤微生物组成与生理功能的影响规律，成果为优化稳定同位素探针技术及促进多研究间结果比较提供了科学参考。

　　微生物是驱动土壤碳、氮、磷等元素循环的核心生物类群，准确量化微生物生长、活性及其参与的生物地球化学过程，是深入理解土壤生态系统功能的重要基础。稳定同位素探针技术(Stable Isotope Probing, SIP)将稳定同位素标记与微生物组学分析相结合，是当前解析微生物关键生理过程和功能类群的重要方法，在识别参与碳、氮、磷等元素循环的活性微生物方面具有独特优势。

　　SIP技术通常通过向土壤中添加含有¹³C、¹⁵N或¹⁸O等稳定同位素标记的底物，使参与相应物质循环过程的微生物在利用底物后，将同位素信号掺入其DNA或RNA中。随后，结合密度梯度超速离心、高通量测序和数学模型，定量识别参与特定过程的活性微生物类群。然而，该技术的一个重要前提是：稳定同位素标记物本身不会显著改变微生物组成或功能特征。如果高丰度同位素标记物，特别是¹⁸O-H₂O，对微生物产生生理胁迫并改变其生态过程，则可能导致SIP实验结果产生系统性偏差，并影响不同标记丰度研究之间的可比性。

　　针对这一问题，中国科学院沈阳应用生态研究所王超研究员团队，以长白山阔叶红松林有机层土壤为研究对象，以¹⁸O-H₂O作为稳定同位素示踪剂，设置0.2-80 atom%18O的连续标记丰度梯度，结合高通量全长测序、功能基因分析和微生物生长测定等方法，系统评估¹⁸O-H₂O标记丰度对土壤微生物群落组成、功能基因谱和生理过程的影响。研究发现，约6%的细菌类群对¹⁸O-H₂O丰度梯度表现出显著响应，但这些类群贡献了约50%的群落相对丰度，说明少数优势类群对同位素标记丰度变化较为敏感。进一步分析表明，负响应和正响应类群分别在约25和40 atom%¹⁸O附近出现明显转折点;其次，微生物功能基因响应阈值略高，负响应和正响应分别在约40和45 atom%¹⁸O附近;微生物呼吸在约22 atom%¹⁸O附近出现阈值响应，而微生物生长随¹⁸O-H₂O丰度增加仅表现出轻微上升趋势，未检测到明确的阈值响应。

　　上述结果表明，¹⁸O-H₂O标记丰度可对土壤微生物产生协调但过程特异的阈值效应。尽管不存在适用于所有SIP实验的统一标记丰度，但当¹⁸O-H₂O标记丰度超过40 atom%¹⁸O时，可能对土壤微生物群落和功能产生明显扰动。因此，本研究建议¹⁸O-H₂O标记丰度不要超过40 atom%¹⁸O。

　　该研究成果以“Threshold responses of soil microbial communities and functions to ¹⁸O-H₂O enrichment”为题，于2026年6月5日在线发表于《Soil Biology and Biochemistry》。中国科学院沈阳应用生态研究所博士研究生曲芳莹为第一作者，王超研究员为通讯作者。该研究得到中国科学院黑土地保护与利用专项和自然基金等项目资助。

　　论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071726001355

　　图1 微生物群落结构和物种组成随着¹⁸O-H₂O丰度的变化规律及阈值

　　图2 微生物功能基因随着¹⁸O-H₂O丰度的变化规律及阈值

　　图3 微生物生理过程随着¹⁸O-H₂O丰度的变化规律及阈值。包括微生物DNA中¹⁸O丰度、呼吸速率、生长速率、碳利用效率和周转速率