We present RootPainter, a GUI-based software tool for the rapid training of deep neural networks for use in biological image analysis. RootPainter facilitates both fully-automatic and semi-automatic image segmentation. We investigate the effectiveness of RootPainter using three plant image datasets, evaluating its potential for root length extraction from chicory roots in soil, biopore counting and root nodule counting from scanned roots. We also use RootPainter to compare dense annotations to corrective ones which are added during the training based on the weaknesses of the current model.

Abstract Little is known of how the deep root systems of perennial crops contribute to deeper and better resource use when intercropped with annuals in arable fields. Therefore, we aimed at measuring the capacity of perennial deep roots, alfalfa ( Medicago sativa L.) and curly dock ( Rumex crispus L.) to access the nutrient source located under the neighboring annuals at 1.0 and 2.5 m of soil depth. Alfalfa and curly dock were able to access the tracer-labelled source placed at a distance under the annual crop strips. As a result, the reliance on deeper soil layer for nutrient uptake under intercroppings became greater compared with sole-croppings. Combination of an annual cereal (winter rye) and a perennial legume (alfalfa) with contrasting root systems exhibited higher resource complementarity compared with intercroppings having similar root systems or absence of legumes. Our results demonstrated that the deep-rooted perennials when intercropped with annuals can induce vertical niche complementarity, especially at deeper soil layers. This was assumed to be due to the vertically stratified root activity between the crop components, however, the magnitude of the effects depended on choice of crop combinations, and on types of tracers. Future studies should include estimates such as relative yield total and land equivalent ratio to quantitatively determine the effects of resource acquisition under annual-perennial intercropping in arable fields.

Abstract Deep-rooted plants can obtain water and nutrients from the subsurface, making them more resilient to climatic changes such as drought. In addition, the deeper root network also allow the plants to recruit bacteria from a larger reservoir in the soil. These bacteria might contribute to nutrient acquisition and provide other plant beneficial traits to the plant. However, the deep rhizosphere communities’ compositions and their assembly dynamics are unknown. Here, we show, using three perennial crops, Kernza, lucerne and rosinweed, grown in 4 m RootTowers, that deep rhizosphere bacterial communities are plant specific, but clearly distinct from the shallow communities. We found that the diversity decreased with depth in the rhizosphere, whereas abundance of 16S rRNA gene copies did not change with depth in lucerne and rosinweed. Furthermore, we identified a subgroup (4-8%) of ASVs in the rhizosphere communities that could not be retrieved in the corresponding bulk soil communities. The abundances of genes determined by qPCR involved in N-cycling: amoA, nifH, nirK, nirS and nosZ differed significantly between plant species, suggesting differences in N content in the root exudates of the plant species. Our results suggest that colonization of the rhizosphere by bulk soil bacteria is not limited by carbon supply, but rather by dispersal. Furthermore, the abundance of N cycling genes indicate that deep rhizosphere bacteria have the potential to provide N through nitrogen fixation.

Abstract Aims Enhanced nitrogen (N) and water uptake from deep soil layers may increase resource use efficiency whilst maintaining yield under stressed conditions. Winter oilseed rape ( Brassica napus L.) can develop deep roots and access deep-stored resources such as N and water, while this potential has large uncertainties in variable environments. In this study, we aimed to evaluate the effects of reduced N and water supply on deep N and water uptake. Methods Oilseed rape plants grown in outdoor rhizotrons were supplied with 240 and 80 kg N ha -1 respectively in 2019 whereas a well-watered and a water-deficit treatment were established in 2020. To track deep water and N uptake, a mixture of 2 H 2 O and Ca( 15 NO 3 ) 2 was injected into the soil column at 0.5 and 1.7 m depths. δ 2 H in transpiration water and δ 15 N in leaves were measured after injection. δ 15 N in biomass samples were also measured. Results Differences in N or water supply had little effect on root growth. The low N treatment reduced water uptake throughout the soil profile, but caused a non-significant increment in 15 N uptake efficiency at both 0.5 and 1.7 m. Water deficit in the upper soil layers led to compensatory deep water, while N uptake was not altered by soil water status. Conclusion Our findings demonstrate that for winter oilseed rape, high N application and water deficiency in shallow layers increases deep water uptake, and that the efficiency of deep N uptake is mainly sensitive to N supply rather than water supply.

Abstract The rhizosphere microbiome contributes to crop health in the face of disease pressures. Increased diversity and production of antimicrobial metabolites are characteristics of the microbiome that underpin microbial-mediated pathogen resistance. A goal of sustainable agriculture is to unravel the mechanisms by which crops assemble beneficial microbiomes, but precise understanding of the ability of the plant to manipulate intragenus microdiversity is unclear. Through an integrative approach combining culture-dependent methods and long-read amplicon sequencing, we demonstrate cultivar-dependent taxonomic and functional microdiversity of the rhizocompetent and bioactive Pseudomonas genus associated with Fusarium -resistant versus susceptible winter wheat cultivars. The resistant cultivar demonstrated increased Pseudomonas taxonomic but not biosynthetic diversity when compared to the susceptible cultivar, correlating with a thinner root diameter of the resistant cultivar. We found enrichment of antifungal Pseudomonas isolates, genes (chitinase), and biosynthetic gene clusters (pyoverdine) in the resistant cultivar. Overall, we highlight cultivar-dependent microdiversity of Pseudomonas taxonomy and functional potential in the rhizosphere, which may link to root morphology and play a role in crop susceptibility to disease.

Abstract Microorganisms interact with plant roots through colonization of the root surface i.e. the rhizoplane or the surrounding soil i.e. the rhizosphere. Beneficial rhizosphere bacteria such as Pseudomonas spp. can promote plant growth and protect against pathogens by producing a range of bioactive compounds, including specialized metabolites like cyclic lipopeptides (CLPs) known for their biosurfactant and antimicrobial activities. However, the role of CLPs in natural soil systems during bacteria-plant interactions is underexplored. Here, Pseudomonas fluorescens SBW25, producing the CLP viscosin, was used to study the impact of viscosin on bacterial root colonization and microbiome assembly in two cultivars of winter wheat (Heerup and Sheriff). We inoculated germinated wheat seeds with SBW25 wild-type or a viscosin-deficient mutant, and grew the plants in agricultural soil. After two weeks, enhanced root colonization of SBW25 wild-type compared to the viscosin-deficient mutant was observed, while no differences were observed between wheat cultivars. In contrast, the impact on root-associated microbial community structure was plant genotype specific, and SBW25 wild-type specifically reduced the relative abundance of an unclassified oomycete and Phytophthora in Sheriff and Heerup, respectively. This study provides new insights into the natural role of viscosin and specifically highlights the importance of viscosin in wheat root colonization under natural soil conditions and in shaping the root microbial communities associated with different wheat cultivars. Further, it pinpoints the significance of microbial microdiversity, plant genotype and microbe-microbe interactions when studying colonization of plant roots.

Aims: Deep-rooted agricultural crops can potentially utilize deep water pools and thus reduce periods where growth is water limited. Chicory (Cichorium intybus L.) is known to be deep-rooted, but the contribution of deep roots to water uptake under well-watered and drought conditions by the deep root system has not been studied. The aim of this study was to investigate whether chicory could reach 3 m depth within a growing season and demonstrate significant water uptake from the deeper part of the root zone. Method: We tested if chicory exposed to either topsoil drought or resource competition from the shallow-rooted species ryegrass (Lolium perenne L.) and black medic (Medicago lupulina L.) would increase deep water uptake in compensation for reduced topsoil water uptake. We grew chicory in 4 m deep soil filled rhizotrons and found that the roots reached 3 m depth within a growing season. Results: Water uptake from below 1.7 m depth in 2016 and 2.3 m depth in 2017 contributed significantly to chicory water use. However, neither drought nor intercropping increased the deep water uptake. Conclusion: Chicory benefits from being deep-rooted during drought events, yet deep water uptake cannot compensate for the reduced topsoil water uptake during drought.

Aims: We tested if chicory acquires nutrients from soil layers down to 3.5 m depth and whether the deep nutrient uptake increases as a result of topsoil drought or topsoil resource competition. We also tested whether application of the trace elements Cs, Li, Rb, Sr, and Se, as tracers result in similar uptake rates. Methods: The methodological tests were primarily carried out in a pilot experiment where the five tracers were applied to 1 m depth in lucerne and red beet grown in tube rhizotrons. The dynamics of deep nutrient uptake in chicory was studied in large 4 m deep rhizoboxes. A drought was imposed when roots had reached around 2 m depth. Results: Chicory acquired tracers applied to 3.5 m depth, but we found no compensatory tracer uptake with depth during drought. We found some indications of a compensatory tracer uptake from 2.3 and 2.9 m depth in intercropped chicory. Application of equimolar amounts of trace elements resulted in similar excess tracer concentrations within species. Conclusion: Chicory acquires nutrients from below 3 m but does not increase deep nutrient uptake as a response to limited topsoil nutrient availability.

ABSTRACT Microorganisms interact with plant roots through colonization of the root surface, i.e., the rhizoplane or the surrounding soil, i.e., the rhizosphere. Beneficial rhizosphere bacteria such as Pseudomonas spp. can promote plant growth and protect against pathogens by producing a range of bioactive compounds, including specialized metabolites like cyclic lipopeptides (CLPs) known for their biosurfactant and antimicrobial activities. However, the role of CLPs in natural soil systems during bacteria-plant interactions is underexplored. Here, Pseudomonas fluorescens SBW25, producing the CLP viscosin, was used to study the impact of viscosin on bacterial root colonization and microbiome assembly in two cultivars of winter wheat (Heerup and Sheriff). We inoculated germinated wheat seeds with SBW25 wild type or a viscosin-deficient mutant and grew the plants in agricultural soil. After 2 weeks, enhanced root colonization of SBW25 wild type compared to the viscosin-deficient mutant was observed, while no differences were observed between wheat cultivars. In contrast, the impact on root-associated microbial community structure was plant-genotype-specific, and SBW25 wild type specifically reduced the relative abundance of an unclassified oomycete and Phytophthora in Sheriff and Heerup, respectively. This study provides new insights into the natural role of viscosin and specifically highlights the importance of viscosin in wheat root colonization under natural soil conditions and in shaping the root microbial communities associated with different wheat cultivars. Furthermore, it pinpoints the significance of microbial microdiversity, plant genotype, and microbe-microbe interactions when studying colonization of plant roots. IMPORTANCE Understanding parameters governing microbiome assembly on plant roots is critical for successfully exploiting beneficial plant-microbe interactions for improved plant growth under low-input conditions. While it is well-known from in vitro studies that specialized metabolites are important for plant-microbe interactions, e.g., root colonization, studies on the ecological role under natural soil conditions are limited. This might explain the often-low translational power from laboratory testing to field performance of microbial inoculants. Here, we showed that viscosin synthesis potential results in a differential impact on the microbiome assembly dependent on wheat cultivar, unlinked to colonization potential. Overall, our study provides novel insights into factors governing microbial assembly on plant roots, and how this has a derived but differential effect on the bacterial and protist communities.