A global map of soil bacteria Soil bacteria play key roles in regulating terrestrial carbon dynamics, nutrient cycles, and plant productivity. However, the natural histories and distributions of these organisms remain largely undocumented. Delgado-Baquerizo et al. provide a survey of the dominant bacterial taxa found around the world. In soil collections from six continents, they found that only 2% of bacterial taxa account for nearly half of the soil bacterial communities across the globe. These dominant taxa could be clustered into ecological groups of co-occurring bacteria that share habitat preferences. The findings will allow for a more predictive understanding of soil bacterial diversity and distribution. Science , this issue p. 320

Abstract Despite the importance of microbial communities for ecosystem services and human welfare, the relationship between microbial diversity and multiple ecosystem functions and services (that is, multifunctionality) at the global scale has yet to be evaluated. Here we use two independent, large-scale databases with contrasting geographic coverage (from 78 global drylands and from 179 locations across Scotland, respectively), and report that soil microbial diversity positively relates to multifunctionality in terrestrial ecosystems. The direct positive effects of microbial diversity were maintained even when accounting simultaneously for multiple multifunctionality drivers (climate, soil abiotic factors and spatial predictors). Our findings provide empirical evidence that any loss in microbial diversity will likely reduce multifunctionality, negatively impacting the provision of services such as climate regulation, soil fertility and food and fibre production by terrestrial ecosystems.

Global Ecosystem Analysis The relationship between species richness and the functional properties of their ecosystems has often been studied at small scales in experimental plots. Maestre et al. (p. 214 ; see the Perspective by Midgley ) performed field measurements at 224 dryland sites from six continents and assessed 14 ecosystem functions related to carbon, nitrogen, and phosphorus cycling. Positive relationships were observed between perennial plant species richness and ecosystem functionality. The relative importance of biodiversity was found to be as large as, or larger than, many key abiotic variables. Thus, preservation of plant biodiversity is important to buffer negative effects of climate change and desertification in drylands, which collectively cover 41% of Earth's land surface and support over 38% of the human population.

Significance Climate change is increasing the degree of aridity in drylands, which occupy 41% of Earth’s surface and support 38% of its population. Soil bacteria and fungi are largely responsible for key ecosystem services, including soil fertility and climate regulation, yet their responses to changes in aridity are poorly understood. Using a field survey conducted in drylands worldwide and DNA-sequencing approaches, we found that increases in aridity reduce the diversity and abundance of soil bacteria and fungi. This study represents an important advancement in our understanding of soil microbial communities and their likely responses to ongoing climate change.

Soil samples collected from 224 dryland sites around the world show that aridity affects the concentration of organic carbon and total nitrogen differently from the concentration of inorganic phosphorus, suggesting that any predicted increase in aridity with climate change could uncouple the carbon, nitrogen and phosphorus cycles in drylands and negatively affect the services provided by these ecosystems. It is thought likely that climatic change, such as the increased aridity predicted for many drylands, could disrupt the biogeochemical cycles of carbon, nitrogen and phosphorus during the twenty-first century. These elements are essential nutrients for biomass production in terrestrial ecosystems. This study finds that aridity has a negative effect on the concentration of global dryland soil organic carbon and nitrogen, but a positive effect on the concentration of inorganic phosphorus. This suggests a decoupling of nutrient cycles in response to an increase in aridity that could have a negative impact on biogeochemical reactions that control key ecosystem functions such as primary productivity. The biogeochemical cycles of carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) are interlinked by primary production, respiration and decomposition in terrestrial ecosystems1. It has been suggested that the C, N and P cycles could become uncoupled under rapid climate change because of the different degrees of control exerted on the supply of these elements by biological and geochemical processes1,2,3,4,5. Climatic controls on biogeochemical cycles are particularly relevant in arid, semi-arid and dry sub-humid ecosystems (drylands) because their biological activity is mainly driven by water availability6,7,8. The increase in aridity predicted for the twenty-first century in many drylands worldwide9,10,11 may therefore threaten the balance between these cycles, differentially affecting the availability of essential nutrients12,13,14. Here we evaluate how aridity affects the balance between C, N and P in soils collected from 224 dryland sites from all continents except Antarctica. We find a negative effect of aridity on the concentration of soil organic C and total N, but a positive effect on the concentration of inorganic P. Aridity is negatively related to plant cover, which may favour the dominance of physical processes such as rock weathering, a major source of P to ecosystems, over biological processes that provide more C and N, such as litter decomposition12,13,14. Our findings suggest that any predicted increase in aridity with climate change will probably reduce the concentrations of N and C in global drylands, but increase that of P. These changes would uncouple the C, N and P cycles in drylands and could negatively affect the provision of key services provided by these ecosystems.

The role of soil biodiversity in regulating multiple ecosystem functions is poorly understood, limiting our ability to predict how soil biodiversity loss might affect human wellbeing and ecosystem sustainability. Here, combining a global observational study with an experimental microcosm study, we provide evidence that soil biodiversity (bacteria, fungi, protists and invertebrates) is significantly and positively associated with multiple ecosystem functions. These functions include nutrient cycling, decomposition, plant production, and reduced potential for pathogenicity and belowground biological warfare. Our findings also reveal the context dependency of such relationships and the importance of the connectedness, biodiversity and nature of the globally distributed dominant phylotypes within the soil network in maintaining multiple functions. Moreover, our results suggest that the positive association between plant diversity and multifunctionality across biomes is indirectly driven by soil biodiversity. Together, our results provide insights into the importance of soil biodiversity for maintaining soil functionality locally and across biomes, as well as providing strong support for the inclusion of soil biodiversity in conservation and management programmes. Combining field data from 83 sites on five continents, together with microcosm experiments, the authors show that nutrient cycling, decomposition, plant production and other ecosystem functions are positively associated with a higher diversity of a wide range of soil organisms.

Aridity, which is increasing worldwide because of climate change, affects the structure and functioning of dryland ecosystems. Whether aridification leads to gradual (versus abrupt) and systemic (versus specific) ecosystem changes is largely unknown. We investigated how 20 structural and functional ecosystem attributes respond to aridity in global drylands. Aridification led to systemic and abrupt changes in multiple ecosystem attributes. These changes occurred sequentially in three phases characterized by abrupt decays in plant productivity, soil fertility, and plant cover and richness at aridity values of 0.54, 0.7, and 0.8, respectively. More than 20% of the terrestrial surface will cross one or several of these thresholds by 2100, which calls for immediate actions to minimize the negative impacts of aridification on essential ecosystem services for the more than 2 billion people living in drylands.

Despite having key functions in terrestrial ecosystems, information on the dominant soil fungi and their ecological preferences at the global scale is lacking. To fill this knowledge gap, we surveyed 235 soils from across the globe. Our findings indicate that 83 phylotypes (<0.1% of the retrieved fungi), mostly belonging to wind dispersed, generalist Ascomycota, dominate soils globally. We identify patterns and ecological drivers of dominant soil fungal taxa occurrence, and present a map of their distribution in soils worldwide. Whole-genome comparisons with less dominant, generalist fungi point at a significantly higher number of genes related to stress-tolerance and resource uptake in the dominant fungi, suggesting that they might be better in colonising a wide range of environments. Our findings constitute a major advance in our understanding of the ecology of fungi, and have implications for the development of strategies to preserve them and the ecosystem functions they provide.

A lack of empirical evidence for the microbial regulation of ecosystem processes, including carbon (C) degradation, hinders our ability to develop a framework to directly incorporate the genetic composition of microbial communities in the enzyme-driven Earth system models. Herein we evaluated the linkage between microbial functional genes and extracellular enzyme activity in soil samples collected across three geographical regions of Australia. We found a strong relationship between different functional genes and their corresponding enzyme activities. This relationship was maintained after considering microbial community structure, total C and soil pH using structural equation modelling. Results showed that the variations in the activity of enzymes involved in C degradation were predicted by the functional gene abundance of the soil microbial community (R2>0.90 in all cases). Our findings provide a strong framework for improved predictions on soil C dynamics that could be achieved by adopting a gene-centric approach incorporating the abundance of functional genes into process models.

Understanding how drylands respond to ongoing environmental change is extremely important for global sustainability. In this review, we discuss how biotic attributes, climate, grazing pressure, land cover change, and nitrogen deposition affect the functioning of drylands at multiple spatial scales. Our synthesis highlights the importance of biotic attributes (e.g., species richness) in maintaining fundamental ecosystem processes such as primary productivity, illustrates how nitrogen deposition and grazing pressure are impacting ecosystem functioning in drylands worldwide, and highlights the importance of the traits of woody species as drivers of their expansion in former grasslands. We also emphasize the role of attributes such as species richness and abundance in controlling the responses of ecosystem functioning to climate change. This knowledge is essential to guide conservation and restoration efforts in drylands, as biotic attributes can be actively managed at the local scale to increase ecosystem resilience to global change.