近日，浙江大学环境与资源学院吴良欢教授团队在Nature旗下期刊The ISME Journal在线发表了题为“Substrate control of sulphur utilisation and microbial stoichiometry in soil: Results of 13C, 15N, 14C, and 35S quad labelling”的研究成果，揭示了土壤氨基酸微生物分解及其化学计量学调控机制。
土壤氨基酸可被微生物在几小时内快速分解，是土壤氮素循环的重要组成部分。然而，在时间尺度上（2 min - 96 h），微生物如何分解利用氨基酸及氨基酸中碳、氮、硫元素去向及形态变化尚不清楚。此外，微生物化学计量学平衡是调控有机物质分解和土壤元素循环的理论基础，已有大量研究从大尺度（生态系统、土壤整体元素组成）上探究了微生物维持化学计量学平衡的机制，但是还未发现从单一分子尺度的相关研究。半胱氨酸和蛋氨酸是一类既含氮又含硫的特殊氨基酸，其N/C和S/C远高于土壤有机质、细菌和真菌，成为研究碳、氮、硫元素循环和微生物调控化学计量学平衡机制较为理想的小分子。
基于13C、15N、14C和35S稳定性与放射性同位素同步标记技术，结合洛桑试验站长期施肥土壤，发现土壤微生物利用氨基酸主要有三个核心过程：1）土壤微生物能够在数分钟内将半胱氨酸和蛋氨酸吸收进微生物体内；2）微生物在15 min内以NH4+的形式释放大量的无机氮，在24 h内以SO42-的形式释放大量的无机硫，并伴随着大量的CO2释放；3）随着时间的延长和微生物的生长，微生物会将释放的SO42-吸收进微生物体内作为硫源。即使两种氨基酸都含有一分子硫，微生物吸收半胱氨酸后释放大量SO42-，而利用蛋氨酸后仅释放少量SO42，推测微生物将半胱氨酸分解为丙酮酸和H2S，而将蛋氨酸转化为α-酮丁酸和S-CH3。此外，长期施肥对微生物吸收这两种氨基酸并无显著影响，但会影响硫酸根释放过程。
图一：微生物利用半胱氨酸和蛋氨酸的三个主要过程（以硫为例）
图二：添加半胱氨酸和蛋氨酸后土壤微生物C、N和S化学计量比值
微生物吸收半胱氨酸和蛋氨酸后，微生物C:N:S化学计量比（来源于氨基酸的元素组成）在9 h内存在显著差异。而随着时间的延长，微生物通过持续释放蛋氨酸中的C和再利用半胱氨酸释放的SO42-，来维持了自身的化学计量学平衡。因此，土壤微生物对氨基酸的短期利用取决于底物结构特性，而长期利用取决于微生物控制的化学计量学平衡。
该研究揭示了土壤微生物利用氨基酸的核心过程，强调了化学计量学在调控微生物元素利用方面的重要作用，为土壤微生物调控土壤元素循环、有机质分解提供了理论基础，在农田养分综合管理、作物养分调控等领域具有重要应用前景。
该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金资助。浙江大学环境与资源学院马庆旭博士为第一作者，吴良欢教授为通讯作者。合作作者包括英国班戈大学Davey L. Jones教授、David R. Chadwick教授、和Paul W. Hill博士，德国哥廷根大学 Yakov Kuzyakov教授，洛桑试验站Andy Macdonald教授，宁波大学葛体达研究员，中国农业大学温媛副教授，浙江省农科院斯林林博士，以及博士生泮莞坤和汤胜。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41396-021-00999-7