Symbiotic associations between arbuscular mycorrhizal fungi and plant roots are widespread in the natural environment and can provide a range of benefits to the host plant. These include improved nutrition, enhanced resistance to soil-borne pests and disease, improved resistance to drought, tolerance of heavy metals and better soil structure. Many agricultural crops are mycorrhizal and there is widespread if equivocal evidence that crop plants benefit from the arbuscular mycorrhizal (AM) association in the same way. However, many agricultural practices including use of fertilisers and biocides, tillage, monocultures and the growing of non-mycorrhizal crops are detrimental to arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). As a result, agroecosystems are impoverished in AMF and may not provide the full range of benefits to the crop. Organic farming systems may be less detrimental to AMF because they exclude the use of water-soluble fertilisers and most biocides and generally have diverse rotations. The evidence available suggests that this leads to increased AMF inoculum in soils, greater crop colonisation and enhanced nutrient uptake. AMF might therefore be able to substitute for reduced fertiliser and biocide inputs in organic systems, though there is little evidence for increased yield resulting from high rates of AMF colonisation in organic systems. This review examines the benefits that the AM association can have for agroecosystems and how farm management practices influence the AM association. Management options that may be employed to increase the benefits that AMF can bring to this type of farming system, such as changes to the rotation and careful use of tillage, are discussed.

summary The nutrient mobilizing activities of mycelia of two ectomycorrhizal fungi, Suillus bovinus (Fr.) O. Kuntze and Thelephora terrestris (Ehrh.), were investigated in transparent root observation chambers to which were added discrete weighed samples of organic matter collected from the fermentation horizon of a pine‐forest soil. The mycelia grew from mycorrhizal plants of Pinus sylvestris L. over a homogeneous humified peat and colonized the introduced fermentation horizon organic matter (FHOM). The chronology of intensive mycelial exploitation of the FHOM was followed, and its nutrient status was monitored before and after colonization by the fungal mycelia. The time from initial colonization to early senescence of mycelial patches was c. 40 d. Colonization by S. bovinus reduced concentrations of nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K.) in FHOM by 23, 22 and 30%, respectively, whereas colonization by T. terrestris led to decreases of N and K of 13 and 21 % respectively, but did not change P concentration. There were increases in calcium and magnesium concentration following colonization by terrestris. Analyses of the inorganic N pool of uncolonized FHOM incubated separately suggested that mineralization rates were inadequate to explain the loss of N from the colonized material. The carbon to nitrogen ratio of material colonized by both fungi increased greatly relative to that in uncolonized material. The significance of these nutrient transfer processes is discussed in relation to element cycling processes in boreal forest ecosystems.

The aim of this study was to examine interrelationships between functional biochemical and microbial indicators of soil quality, and their suitability to differentiate areas under contrasting agricultural management regimes. The study included five 0.8 ha areas on a sandy-loam soil which had received contrasting fertility and cropping regimes over a 5 year period. These were organically managed vegetable, vegetable–cereal and arable rotations, an organically managed grass clover ley, and a conventional cereal rotation. The organic areas had been converted from conventional cereal production 5 years prior to the start of the study. All of the biochemical analyses, including light fraction organic matter (LFOM) C and N, labile organic N (LON), dissolved organic N and water-soluble carbohydrates showed significant differences between the areas, although the nature of the relationships between the areas varied between the different parameters, and were not related to differences in total soil organic matter content. The clearest differences were seen in LFOM C and N and LON, which were higher in the organic arable area relative to the other areas. In the case of the biological parameters, there were differences between the areas for biomass-N, ATP, chitin content, and the ratios of ATP: biomass and basal respiration: biomass. For these parameters, the precise relationships between the areas varied. However, relative to the conventionally managed area, areas under organic management generally had lower biomass-N and higher ATP contents. Arbuscular mycorrhizal fungus colonization potential was extremely low in the conventional area relative to the organic areas. Further, metabolic diversity and microbial community level physiological profiles, determined by analysis of microbial community metabolism using Biolog GN plates and the activities of eight key nutrient cycling enzymes, grouped the organic areas together, but separated them from the conventional area. We conclude that microbial parameters are more effective and consistent indicators of management induced changes to soil quality than biochemical parameters, and that a variety of biochemical and microbial analyses should be used when considering the impact of management on soil quality.

Abstract Background Soil microbes play pivotal roles in global carbon cycling, however the fundamental interactions between microbes and their infecting viruses remain unclear. This is exacerbated with soil depth, where the patterns of viral dispersal, ecology, and evolution are markedly underexplored. To investigate viral communities across soil depth, we leveraged a publicly available metagenomic data set sampled from grassland soil in northern California. Results 10,196 non-redundant vOTUs were recovered from soil sampled from 20 cm to 120 cm below the surface. Viral prevalence was high throughout the soil depth profile, with viruses infecting dominant soil phyla, including Actinomycetota . Contrary to leading hypotheses, lysogeny did not dominate in the soil viral communities. Viral diversity was investigated at both the population-level (i.e., macro diversity) and strain-level (i.e., micro diversity) to reveal diverse ecological and evolutionary patterns of virus-host interactions in surface and subsurface soil. Conclusions By investigating viral micro diversity in soil for the first time, we have uncovered patterns of antagonistic co-evolution across both surface and subsurface soils. Furthermore, we have provided evidence of soil viruses augmenting the remineralisation of soil carbon. While we continue to yield a more comprehensive understanding of soil viral ecology, our work appeals to future researchers to continue to investigate subsurface viral communities.

Abstract Background The rhizosphere is a hotspot for microbial activity and contributes to ecosystem services including plant health and biogeochemical cycling. The activity of microbial viruses, and their influence on plant-microbe interactions in the rhizosphere, remains undetermined. Given the impact of viruses on the ecology and evolution of their host communities, determining how soil viruses influence microbiome dynamics is crucial to build a holistic understanding of rhizosphere functions. Results Here, we aimed to investigate the influence of crop management on the composition and activity of bulk soil, rhizosphere soil, and root viral communities. We combined viromics, metagenomics, and metatranscriptomics on soil samples collected from a 3-year crop rotation field trial of oilseed rape ( Brassica napus L.). By recovering 1,059 dsDNA viral populations and 16,541 ssRNA bacteriophage populations, we expanded the number of underexplored Leviviricetes genomes by > 5 times. Through detection of viral activity in metatranscriptomes, we uncovered evidence of “Kill-the-Winner” dynamics, implicating soil bacteriophages in driving bacterial community succession. Moreover, we found the activity of viruses increased with proximity to crop roots and identified that soil viruses may influence plant-microbe interactions through the reprogramming of bacterial host metabolism. We have provided the first evidence of crop rotation-driven impacts on soil microbial communities extending to viruses. To this aim, we present the novel principal of “viral priming”, which describes how the consecutive growth of the same crop species primes viral activity in the rhizosphere through local adaptation. Conclusions Overall, we reveal unprecedented spatial and temporal diversity in viral community composition and activity across root, rhizosphere soil and bulk soil compartments. Our work demonstrates that the roles of soil viruses need greater consideration to exploit the rhizosphere microbiome for food security, food safety, and environmental sustainability.

Abstract Plants differ from animals in their capability to easily regenerate fertile adult individuals from terminally differentiated cells [1]. This unique developmental plasticity is commonly observed in nature where many species can reproduce asexually through the ectopic initiation of organogenic or embryogenic developmental programs [2, 3]. However, it is not currently known if this developmental reprogramming is coupled to a global epigenomic resetting, or what impact it has on the phenotype of the clonal progeny. Here we show that plants asexually propagated via induction of a zygotic developmental program do not fully reset cell-specific epigenetic imprints. These imprints are instead inherited even over multiple rounds of sexual reproduction, becoming fixed in hybrids and resulting in heritable molecular and physiological phenotypes that depend on the founder cell used. Our results demonstrate how novel phenotypic variation in plants can be unlocked through the incomplete reprogramming of cell-specific epigenetic marks during asexual propagation.

Abstract Background The genus Tetracladium has been traditionally regarded as an Ingoldian fungus or aquatic hyphomycete – a group of phylogenetically diverse, polyphyletic fungi which grow on decaying leaves and plant litter in streams. Recent sequencing evidence has shown that Tetracladium spp. may also exist as root endophytes in terrestrial environments, and furthermore may have beneficial effects on the health and growth of their host. However, the diversity of Tetracladium spp. communities in terrestrial systems and the factors which shape their distribution are largely unknown. Results Using a fungal community internal transcribed spacer amplicon dataset from 37 UK Brassica napus fields we found that soils contained diverse Tetracladium spp., most of which represent previously uncharacterised clades. The two most abundant OTUs, related to previously described aquatic T. furcatum and T. maxilliforme , were enriched in roots relative to bulk and rhizosphere soil. For both taxa, relative abundance in roots, but not rhizosphere or bulk soil was correlated with B. napus yield. The relative abundance of T. furcatum and T. maxilliforme OTUs across compartments showed very similar responses with respect to agricultural management practices and soil characteristics. The factors shaping the relative abundance of T. furcatum and T. maxilliforme OTUs in roots was assessed using linear regression and structural equation modelling. Relative abundance of Tetracladium maxilliforme and Tetracladium furcatum in roots increased with pH, concentrations of phosphorus, and increased rotation frequency of OSR. While it decreased with increased soil water content, concentrations of extractable phosphorus, chromium, and iron. Conclusions The genus Tetracladium as a root colonising endophyte is a diverse and wildly distributed part of the oilseed rape microbiome that positively correlates to crop yield. The main drivers of its community composition are crop management practices and soil nutrients.

Abstract The advance of DNA sequencing technologies has drastically changed our perception of the complexity and structure of the plant microbiome and its role in augmenting plant health. By comparison, our ability to accurately identify the metabolically active fraction of soil microbiota and their specific functional role is relatively limited. Here, we combined our recently developed protein extraction method and an iterative bioinformatics pipeline to enable the capture and identification of extracellular proteins (meta-exoproteomics) expressed in the rhizosphere of Brassica spp. First, we validated our method in the laboratory by successfully identifying proteins related to the host plant ( Brassica rapa ) and a bacterial inoculant, Pseudomonas putida BIRD-1, revealing the latter expressed numerous rhizosphere specific proteins linked to the acquisition of plant-derived nutrients. Next, we analysed natural field-soil microbial communities associated with Brassica napus L (Oil Seed rape). By combining deep-sequencing metagenomics with meta-exoproteomics, a total of 1882 proteins were identified in bulk and rhizosphere samples. Importantly, meta-exoproteomics identified a clear shift (p<0.001) in the metabolically active fraction of the soil microbiota responding to the presence of B. napus roots that was not apparent in the composition of the total microbial community (metagenome). This metabolic shift was associated with the stimulation of rhizosphere-specialised bacteria, such as Gammaproteobacteria , Betaproteobacteria and Flavobacteriia and the upregulation of plant beneficial functions related to phosphorus and nitrogen mineralisation. By providing the first meta-proteomic level assessment of the ‘active’ plant microbiome at the field-scale, this study demonstrates the importance of moving past a genomic assessment of the plant microbiome in order to determine ecologically important plant: microbe interactions driving plant growth.

Abstract Background Carbon monoxide (CO) is a naturally occurring and ubiquitous trace gas in the atmosphere. As a product of combustion processes, it can reach concentrations in the mg/m 3 range in urban areas, contributing to air pollution. Aerobic CO-degrading microorganisms have been identified previously and are thought to remove ~370 Tg of CO in soils and oceans per year. Based on the presence of genes encoding subunits of the enzyme carbon monoxide dehydrogenase in metagenomes, a large fraction of soil bacteria may have the potential for CO degradation. The activity and diversity of CO-degrading microorganisms in above ground habitats such as the phyllosphere has not been addressed, however, and their potential role in global CO cycling remains unknown. Results Monitoring of CO-degradation in leaf washes of two common British trees, Ilex aquifolium and Crataegus monogyna , demonstrated CO uptake in all samples investigated. Leaf washes of I. aquifolium had significantly higher CO oxidation rates than those of C. monogyna . A diverse range of bacterial taxa were identified as candidate CO-oxidising taxa based on high-throughput sequencing and multivariate statistical analysis of 16S rRNA amplicon data, as well as functional diversity analysis based on coxL , the gene encoding the large subunit of CO-dehydrogenase. Candidate CO-oxidising taxa included a range of Rhizobiales and Burkholderiales, of which the Burkholderiales OTUs were abundant colonisers of the phyllosphere at the time of sampling, as indicated by 16S rRNA gene sequencing. In addition, an estimated 12.4% of leaf OTUs in samples of this study contained coxL homologues, based on their predicted genomes. We also mined data of publicly available phyllosphere metagenomes for genes encoding subunits of CO-dehydrogenase which indicated that, on average, 25% of phyllosphere bacteria contained CO-dehydrogenase gene homologues. A CO-oxidising Phyllobacteriaceae strain was isolated from phyllosphere samples which contains genes encoding both CODH as well as a RuBisCO. Conclusions The phyllosphere, a vast microbial habitat, supports diverse and potentially abundant CO-oxidising bacteria. These findings identify tree phyllosphere bacteria as a potential sink for atmospheric CO and highlight the need for a more detailed assessment of phyllosphere microbial communities in the global cycle of CO.

The Casparian Strip (CS) constitutes a physical diffusion barrier to water and nutrients in plant roots, and is formed by the polar deposition of lignin polymer in the endodermis. This precise pattern of lignin deposition is thought to be mediated by the scaffolding activity of membrane-bound Casparian Strip domain proteins (CASPs). However, we show that endodermis-specific receptor-like kinase 1 (ERK1) and ROP Binding Kinase1 (RBK1) are also involved in this intricate process, with the former playing an essential role both in the localization of CASP1 and in lignin deposition. We further characterised ERK1 and determined its subcellular localisation in the cytoplasm and nucleus of the endodermis, as well as provide evidence for its involvement in a signalling pathway together with the circadian clock regulator, Time for Coffee (TIC). We also show that disruption to CS organisation and increased suberisation in the endodermis due to loss of function of either ERK1 or TIC collectively leads to an altered root microbiome composition. Thus, our work reveals additional players in the complex cascade of signalling events operating in the root endodermis to establish both the CS diffusion barrier and the microbial composition of the rhizosphere.