Abstract Global food security is strongly determined by crop production. Climate change-induced losses to production can occur directly, or indirectly, including via the distributions and impacts of plant pathogens. However, the likely changes in pathogen pressure in relation to global crop production are poorly understood. Here we show that temperature-dependent infection risk, r( T ), for 80 fungal and oomycete crop pathogens will track projected yield changes in 12 crops over the 21st Century. For most crops, both yields and r( T ) are likely to increase at high latitudes. In contrast, while the tropics will see little or no productivity gains, r( T ) is also likely to decline. In addition, the USA, Europe and China may experience major changes in pathogen assemblages. The benefits of yield gains may therefore be tempered by the increased burden of crop protection due to increased and unfamiliar pathogens.

ABSTRACT Organic agriculture, employing manures or composts, has been proposed as a way of mitigating undesirable impacts of mineral fertilizer use. Of particular interest is the effect of fertilizer regime on soil microbes, which are key to nutrient cycling, plant health and soil structure. However, the effect of fertilizers on soil microbial diversity remains poorly understood. Since biological diversity is an important determinant of ecosystem function and a fundamental metric in community ecology, the effects of fertilizer regimes on soil microbial diversity are of theoretical and applied interest. Here, we conduct a meta-analysis of 37 studies reporting microbial diversity metrics in mineral fertilized (NPK), organically fertilized (ORG) and unfertilized control (CON) soils. Of these studies, 32 reported taxonomic diversity derived from sequencing, gradient gel electrophoresis, or RFLP. Functional diversity, derived from Biolog Ecoplate™ measures of carbon substrate metabolism, was reported in 8 studies, with 3 studies reporting both diversity metrics. Bacterial and archaeal diversity was reported in 28 taxonomic studies, and fungal diversity in 8 taxonomic studies. We found that functional diversity was 2.8 % greater in NPK compared with CON, 7.0 % greater in ORG vs CON, and 3.8 % greater in ORG vs NPK. Bacterial and archaeal taxonomic diversity was not significantly different between NPK and CON, but on average 2.9% greater in ORG vs CON, and 2.4 % greater in ORG vs. NPK. Fungal taxonomic diversity was not significantly different between any treatment pairs. There was very high residual heterogeneity in all meta-analyses of soil diversity, suggesting that a large amount of further research is required to fully understand the influence of fertilizer regimes on microbial diversity and ecosystem function.

Summary Species have preferred environmental niches 1 and their geographical distributions respond to global climate change 2 . Predicting range shifts under climate change has profound implications for conservation of biodiversity 3 , provision of ecosystem services, and in the management of invasive species 4 . Species distribution modelling (SDM) has largely focussed on climate variations, but biotic interactions, such as predation and competition, can alter potential distributions 5,6 and affect migration rates 7 . However, a lack of data on biotic interactions has restricted consideration of these factors for many species 1 . Here, we compare the power of biotic and climatic factors as predictors of global distributions of hundreds of crop pests and pathogens (CPPs), for which host preferences are known. We show that host availability is a more important predictor of endobiotic pathogen distributions (fungi, oomycetes, bacteria, viruses and nematodes) than of epibiotic pest distributions (insect herbivores). Conversely, climatic variables are better predictors of epibiotic pest distributions. These results are robust to statistical controls for varying observational capacity among countries. Our findings demonstrate that life history affects global scale species distributions and that SDM should incorporate biotic interactions as well as climate.

Abstract Extreme weather events can have devastating impacts on agricultural systems, and the livelihoods that depend on them. Tools for rapid, comprehensive and cost-effective assessment of impacts, especially if carried out remotely, can be of great value in planning systematic recovery of production, as well as assessing risks from future events. Here, we use openly available remote sensing data to quantify the impacts of hurricanes Irma and Maria in 2017 on banana production area in the Dominican Republic — the world’s largest producer of organic bananas. Further, we assess the risk to current production area if a similar extreme event were to re-occur. Hurricane associated damage was mapped using a simple change detection algorithm applied to Synthetic Aperture Radar (SAR) data over the three main banana growing provinces of northern Dominican Republic, i.e. Monte Cristi, Valverde and Santiago. The map of hurricane affected area was overlaid with banana plantation distributions for 2017 and 2019 that were mapped (accuracy = 99.8%) using a random forest classifier, and a combination of SAR and multi-spectral satellite data. Our results show that 11.35% of banana plantation area was affected by hurricane damage in 2017. Between 2017 and 2019, there was a high turnover of plantation area, but with a net gain of 10.8%. However, over a quarter (26.9%) of new plantation area spatially overlapped with regions which had seen flooding or damage from hurricanes in 2017. Our results indicate that banana production systems in northern Dominican Republic saw extensive damage in the aftermath of hurricanes Irma and Maria. While production area has recovered since then, a substantial proportion of new plantations, and a greater fraction of production area in general, occur at locations at risk from future extreme events.

Abstract Plant diseases are major causes of crop yield losses and exert a financial burden via expenditure on disease control. The magnitude of these burdens depends on biological, environmental and management factors, but this variation is poorly understood. Here we model the effects of weather on potential yield losses due to fungal plant pathogens (the biotic yield gap, Y gb ) using experimental trials of fungicide-treated and untreated cereal crops in the UK, and project future Y gb under climate change. We find that Y gb varies between 10 and 20 % of fungicide-treated yields depending on crop, and increases under warmer winter and wetter spring conditions. Y gb will increase for winter wheat and winter barley under climate change, while declining for spring crops because drier summers offset the effects of warmer winters. Potential disease impacts are comparable in magnitude to the effects of suboptimal weather and crop varieties.

The ecological niche of a species can be conceptualized as a volume in multidimensional space, where each dimension describes an abiotic condition or biotic resource. The shape and size of this volume strongly determines interactions among species and influences their global distribution, but the geometry of the niche is poorly understood. Here, we analyse temperature response functions and host plant ranges for hundreds of fungi and oomycetes. We demonstrate that niche specialization is independent on abiotic and biotic axes, that host interactions restrict fundamental niche breadth to form the realized niche, and that both abiotic and biotic niches show limited phylogenetic constraint. Such niche adaptability makes plant pathogens a formidable threat to agriculture and forestry.

Biotic invasions threaten global biodiversity and ecosystem function. Such incursions present challenges to agriculture where invasive pest species cause significant production losses require major economic investment to control and can cause significant production losses. Pest Risk Analysis (PRA) is key to prioritizing agricultural biosecurity efforts, but is hampered by incomplete knowledge of current crop pest and pathogen distributions. Here we develop predictive models of current pest distributions and test these models using new observations at sub-national resolution. We apply generalized linear models (GLM) to estimate presence probabilities for 1739 crop pests in the CABI pest distribution database. We test model predictions for 100 unobserved pest occurrences in the People’s Republic of China (PRC), against observations of these pests abstracted from the Chinese literature. This resource has hitherto been omitted from databases on global pest distributions. Finally, we predict occurrences of all unobserved pests globally. Presence probability increases with host presence, presence in neighbouring regions, per capita GDP, and global prevalence. Presence probability decreases with mean distance from coast and known host number per pest. The models were good predictors of pest presence in Provinces of the PRC, with area under the ROC curve (AUC) values of 0.75 – 0.76. Large numbers of currently unobserved, but probably present pests (defined here as unreported pests with a predicted presence probability > 0.75), are predicted in China, India, southern Brazil and some countries of the former USSR. Our results shows that GLMs can predict presences of pseudo-absent pests at sub-national resolution. The Chinese scientific literature has been largely inaccessible to Western academia but contains important information that can support PRA. Prior studies have often assumed that unreported pests in a global distribution database represents a true absence. Our analysis provides a method for quantifying pseudo-absences to enable improved PRA and species distribution modelling.

Abstract The global banana industry is threatened by one of the most devastating diseases: Fusarium wilt (FWB). FWB is caused by the soil-borne fungus Fusarium oxysporum f. sp. cubense ( Foc ), which almost annihilated the banana production in the late 1950s. A new strain of Foc , known as tropical race 4 (TR4), attacks a wide range of banana varieties including Cavendish clones which are the source of 99% of banana exports. In 2019, Foc TR4 was reported in Colombia, and more recently (2021) in Peru. In this study, we sequenced three fungal isolates identified as Foc TR4 from La Guajira (Colombia) and compared them against 19 whole-genome sequences of Foc TR4 publicly available, including four genome sequences recently released from Peru. To understand the genetic relatedness of the Colombian Foc TR4 isolates and those from Peru, we conducted a phylogenetic analysis based on a genome-wide set of single nucleotide polymorphisms (SNPs). Additionally, we compared the genomes of the 22 available Foc TR4 isolates looking for the presence-absence of gene polymorphisms and genomic regions. Our results reveal that (i) the Colombian and Peruvian isolates are genetically distant, which could be better explained by independent incursions of the pathogen to the continent, and (ii) there is a high correspondence between the genetic relatedness and geographic origin of Foc TR4. The profile of present/absent genes and the distribution of missing genomic regions showed a high correspondence to the clades recovered in the phylogenetic analysis, supporting the results obtained by SNP-based phylogeny.

Shifting geographical ranges of crop pests and pathogens in response to climate change pose a threat to food security. The orange wheat blossom midge (Sitodiplosis mosellana) is responsible for significant yield losses in China, the world's largest wheat producer. Here we report that rising temperatures in the North China Plain have resulted in a mean northward range shift of 3.3 deg (58.8 km per decade) from the 1950s to 2010s, which accelerated to 91.3 km per decade after 1985 when the highly toxic pesticide hexachlorocyclohexane (HCH) was banned. Phenological matching between wheat midge adult emergence and wheat heading in this new expanded range has resulted in greater damage to wheat production. Around $286.5 million worth of insecticides were applied to around 19 million hectares in an attempt to minimize wheat midge damage to crops between 1985 and 2016. Despite use of these pesticides, wheat midge caused losses of greater than 0.95 million metric tons of grain during this period. Our results demonstrate the potential for indirect negative impacts of climate change on crop production and food security, and constitute the first large scale example of plant pest range shift due to global warming.