Abstract Plants exude large quantities of rhizosphere metabolites that can modulate composition and activity of microbial communities in response to environmental stress. While rhizodeposition dynamics have been associated with rhizosphere microbiome succession, and may be particularly impactful in stressful conditions, specific evidence of these connections has rarely been documented. Here, we grew the bioenergy crop switchgrass ( Panicum virgatum ) in a marginal soil, under nutrient limited, moisture limited, +nitrogen (N), and +phosphorus (P) conditions, to identify links between rhizosphere chemistry, microbiome dynamics, and abiotic stressors. To characterize links between rhizosphere microbial communities and metabolites, we used 16S rRNA amplicon sequencing and LC-MS/MS-based metabolomics. We measured significant changes in rhizosphere metabolite profiles in response to abiotic stress and linked them to changes in microbial communities using network analysis. N-limitation amplified the abundance of aromatic acids, pentoses, and their derivatives in the rhizosphere, and their enhanced availability was linked to the abundance of diverse bacterial lineages from Acidobacteria, Verrucomicrobia, Planctomycetes, and Alphaproteobacteria. Conversely, N-amended conditions enhanced the availability of N-rich rhizosphere compounds, which coincided with proliferation of Actinobacteria. Treatments with contrasting N availability differed greatly in the abundance of potential keystone metabolites; serotonin, ectoine, and acetylcholine were particularly abundant in N-replete soils, while chlorogenic, cinnamic, and glucuronic acids were found in N-limited soils. Serotonin, the keystone metabolite we identified with the largest number of links to microbial taxa, significantly affected root architecture and growth of rhizosphere microorganisms, highlighting its potential to shape microbial community and mediate rhizosphere plant-microbe interactions. Significance Plants and microorganisms release metabolites that mediate rhizosphere host-microbe interactions and modulate plant adaptation to environmental stresses. However, the molecular mechanisms that underpin rhizosphere metabolite-microbiome dynamics, their functional relationships, and the biological role of plant- or microbial-produced soil metabolites remain largely unknown. Here, we found the abundances of specific classes of rhizosphere soil metabolites were responsive to abiotic stressors, and also connected to specific shifts in the rhizosphere microbial community and plant phenotypes. We propose a suite of understudied rhizosphere compounds as keystone metabolites that may structure the rhizosphere microbiome and influence plant metabolism in response to nutrient availability. These links between rhizosphere metabolites and microbial communities point to research avenues where we might leverage plant-microbe interactions to engineer enhanced rhizosphere microbiome function, plant and ecosystem health.

Deep-rooting perennial grasses are promising feedstock for biofuel production, especially in marginal soils lacking organic material, nutrients, and/or that experience significant water stress. Perennial grass roots can alter surrounding soil conditions and influence microbial activities, particularly the production of extracellular polymeric substances composed primarily of extracellular polysaccharides (EPS). These polymers can alleviate cellular moisture and nutrient stress, and enhance soil characteristics through improved water retention and aggregate stability, the latter of which may in turn enhance carbon persistence. In this study we used a 13CO2 tracer greenhouse experiment to examine the effect of switchgrass cultivation on the production and origin of EPS in a marginal soil with five fertilization/water treatments (control, +N, +NP, +P, low water). Soils with both added nitrogen and phosphorus had the highest root biomass, EPS and percentage of water-stable soil aggregates. Multiple linear regression analyses revealed root biomass was the most important determinant for soil EPS production, potentially by controlling carbon supply and diurnal changes in soil water potential. Path analysis highlighted the role of soil water potential and EPS on water-stable soil aggregates, indicating that EPS content and soil aggregation have similar drivers in this soil. High mannose content confirmed the microbial origin of EPS. 13CO2 labeling indicated that 0.18% of newly fixed plant carbon was incorporated into EPS. Analysis of field samples suggests that EPS is significantly enhanced under long-term switchgrass cultivation. Our results demonstrate that switchgrass cultivation can promote microbial production of EPS, providing a mechanism to enhance sustainability of marginal soils.