Abstract Background The relationship between biodiversity and soil microbiome stability remains poorly understood. Here, we investigated the impacts of bacterial phylogenetic diversity on the functional traits and the stability of the soil microbiome. Communities differing in phylogenetic diversity were generated by inoculating serially diluted soil suspensions into sterilized soil, and the stability of the microbiome was assessed by detecting community variations under various pH levels. The taxonomic features and potential functional traits were detected by DNA sequencing. Results We found that bacterial communities with higher phylogenetic diversity tended to be more stable, implying that microbiomes with higher biodiversity are more resistant to perturbation. Functional gene co-occurrence network and machine learning classification analyses identified specialized metabolic functions, especially “nitrogen metabolism” and “phosphonate and phosphinate metabolism,” as keystone functions. Further taxonomic annotation found that keystone functions are carried out by specific bacterial taxa, including Nitrospira and Gemmatimonas , among others. Conclusions This study provides new insights into our understanding of the relationships between soil microbiome biodiversity and ecosystem stability and highlights specialized metabolic functions embedded in keystone taxa that may be essential for soil microbiome stability.

Abstract A growing body of evidence suggests that microbial α-diversity (local species richness) may have positive effects on ecosystem function. However, less attention has been paid to β-diversity (the variation among local microbial assemblages). Here we studied the impact of microbial α-diversity on stochastic/deterministic microbial community assembly processes, which are related to β-diversity, and the consequences for community function. Bacterial communities differing in α-diversity were generated and their structures and potential community functional traits were inferred from DNA sequencing. Phylogenetic null modeling analysis suggests that stochastic assembly processes are dominant in high-diversity communities. However, in low-diversity communities, deterministic assembly processes are dominant, associating with the reduction of specialized functions that are correlated with specific bacterial taxa. Overall, we suggest that the low-diversity-induced deterministic community assembly processes may constrain community functions, highlighting the potential roles of specialized functions in community assembly and in generating and sustaining the function of soil ecosystems.

Grazing is a major modulator of biodiversity and productivity in grasslands. However, our understanding of grazing-induced changes in below-ground communities, processes, and soil productivity is limited. Here, using a long-term enclosed grazing meadow steppe, we investigated the impacts of grazing on the soil organic carbon (SOC) turnover, the microbial community composition, resistance and activity under seasonal changes, and the microbial contributions to soil productivity. The results demonstrated that grazing had significant impacts on soil microbial communities and ecosystem functions in meadow steppe. The highest microbial α-diversity was observed under light grazing intensity, while the highest β-diversity was observed under moderate grazing intensity. Grazing shifted the microbial composition from fungi dominated to bacteria dominated and from slow growing to fast growing, thereby resulting in a shift from fungi-dominated food webs primarily utilizing recalcitrant SOC to bacteria-dominated food webs mainly utilizing labile SOC. Moreover, the higher fungal recalcitrant-SOC-decomposing activities and bacterial labile-SOC-decomposing activities were observed in fungi- and bacteria-dominated communities, respectively. Notably, the robustness of bacterial community and the stability of bacterial activity were associated with α-diversity, while this was not the case for the robustness of fungal community and its associated activities. Finally, we observed that microbial α-diversity rather than SOC turnover rate can predict soil productivity. Our findings indicate the strong influence of grazing on soil microbial community, SOC turnover, and soil productivity and the important positive role of soil microbial α-diversity in steering the functions of meadow steppe ecosystems.

Abstract Bacillus is a ubiquitous microorganism and is one of the most commercially important species widely used in industry, agriculture and healthcare. Bacillus is relatively well understood at the single-cell level; however, molecular tools that determine diversity and ecology of Bacillus community are limited, which limits our understanding of how the Bacillus community works. In the present study, we investigated the potential of the housekeeping gene gyrA as a molecular marker for determining the diversity of Bacillus species. The amplification efficiency for Bacillus species diversity could be greatly improved by primer design. Therefore, we designed a novel primer pair gyrA 3 that can detect at least 92 Bacillus species and related species. For Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus pumilus , and Bacillus megaterium , we observed that the high variability of the gyrA gene allows for more detailed clustering at the subspecies level that cannot be achieved by the 16S rRNA gene. Since gyrA provides better phylogenetic resolution than 16S rRNA and informs on the diversity of the Bacillus community, we propose that gyrA gene may have broad application prospects in the study of Bacillus ecology.

ABSTRACT Rhizosphere microorganisms interact with plant roots by producing chemical signals to regulate root development. However, the involved distinct bioactive compounds and the signal transduction pathways are remaining to be identified. Here, we show that sesquiterpenes (SQTs) are the main volatile compounds produced by plant beneficial Trichoderma guizhouense NJAU 4742, inhibition of SQTs synthesis in this strain indicated their involvement in plant-fungus cross-kingdom signaling. SQTs component analysis further identified the cedrene, a high abundant SQT in strain NJAU 4742, could stimulate plant growth and root development. Genetic analysis and auxin transport inhibition showed that auxin receptor TIR1, AFB2, auxin-responsive protein IAA14, and transcription factor ARF7, ARF19 affect the response of lateral roots to cedrene. Moreover, auxin influx carrier AUX1, efflux carrier PIN2 were also indispensable for cedrene-induced lateral root formation. Confocal imaging showed that cedrene affected the expression of pPIN2:PIN2:GFP and pPIN3:PIN3:GFP , which may be related to the effect of cedrene on root morphology. These results suggest that a novel SQT molecule from plant beneficial T. guizhouense can regulate plant root development through auxin transport and signaling. One-sentence Summary Cedrene, a high- abundance sesquiterpenes produced by plant beneficial Trichoderma guizhouense NJAU 4742, stimulates Arabidopsis lateral root formation and primary root elongation by relying on auxin signaling pathway and auxin transporter PIN2 and AUX1.

ABSTRACT According to the Lotka-Volterra competition model, intraspecific competition in plant-associated microbial communities should be stronger than interspecific competition. However, there is limited information on whether microbial communities follow this pattern and how disturbance by a newcomer affects them. Given the increasing popularity of probiotics, filling this knowledge gap could help guide future coexistence research. Here, we show that inoculation with a known probiotic, B. velezensis SQR9 shifts species co-occurrence patterns by decreasing the diversity of more distant species and promoting the growth of more closely related species, especially within the Bacillus community. By testing the sociality of Bacillus rhizosphere isolates, we then demonstrated that SQR9 increases the frequency of cooperative interactions in the Bacillus community, which may contribute to the promotion of plant growth. Finally, we provide an ecosystem framework comprising the strain’s genetic relatedness, metabolic niche space and social compatibility for the efficient and reliable assembly of Bacillus consortia. These findings shed new light on the ecological mechanisms underlying the beneficial effects of probiotics on host fitness.

Abstract Understanding the driving forces and intrinsic mechanisms of microbial competition is a fundamental question in microbial ecology. Despite the well-established negative correlation between exploitation competition and phylogenetic distance, the process of interference competition that is exemplified by antagonism remains controversial. Here, we studied the genus Bacillus , a commonly recognized producer of multifarious antibiotics, to explore the role of phylogenetic patterns of biosynthetic gene clusters (BGCs) in mediating the relationship between antagonism and phylogeny. Comparative genomic analysis revealed a positive association between BGC distance and phylogenetic distance. Antagonistic tests demonstrated that the inhibition phenotype positively correlated with both phylogenetic and predicted BGC distance, especially for antagonistic strains possessing abundant BGCs. Mutant-based verification showed that the antagonism was dependent on the BGCs that specifically harbored by the antagonistic strain. These findings highlight that BGC-phylogeny coherence regulates the positive correlation between congeneric antagonism and phylogenetic distance, which deepens our understanding of the driving force and intrinsic mechanism of microbial interactions.

Abstract Bacterial-fungal interactions (BFIs) are important in ecosystem dynamics, especially within the soil rhizosphere. The bacterium Bacillus velezensis SQR9 and the fungus Trichoderma guizhouense NJAU 4742 have garnered considerable attention due to their roles in promoting plant growth and protecting their host against pathogens. In this study, we utilized these two model microorganisms to investigate BFI. We firstly demonstrate that while co-inoculation of B. velezensis and T. guizhouense could promote tomato growth, these two microorganisms display mutual antagonism on agar solidified medium. To resolve this contradiction, we developed an inoculation method, that allows B. velezensis colonization of T. guizhouense hyphae and performed a transcriptome analysis. During colonization of the fungal hyphae, B. velezensis SQR9 upregulates expression of biofilm related genes (e.g. eps, tasA , and bslA) that is distinct from free-living cells. This result suggested an intricate association between extracellular matrix expression and hyphae colonization. In accordance, deletion epsD, tasA, or both epsD and tasA genes of B. velezensis diminished colonization of the T. guizhouense hyphae. The insights from our study demonstrate that soil BFIs are more complex than we understood, potentially involving both competition and cooperation. These intricate biofilm-mediated BFI dynamics might contribute to the remarkable diversity observed within soil microbiota, providing a fresh perspective for further exploration of BFIs in the plant rhizosphere.

Abstract Microbial cooperation is vulnerable to exploitation by social cheaters. Although the strategies for controlling genotypic cheaters have been well investigated, the mechanism and significance of preventing phenotypic cheating remain largely unknown. Here, we revealed the molecular mechanism and ecological significance of a policing system for punishing phenotypic cheaters in the community of a plant beneficial strain Bacillus velezensis SQR9. Coordinated activation of extracellular matrix (ECM) production and autotoxin bacillunoic acids (BAs) biosynthesis/self-immunity, punished public goods-nonproducing cheaters in strain SQR9’s community. Spo0A was identified to be the co-regulator for triggering both ECM production and BAs synthesis/immunity, which activates acetyl-CoA carboxylase (ACC) to produce malonyl-CoA, an essential precursor for BAs biosynthesis, thereby stimulating BAs production and self-immunity. Elimination of phenotypic cheaters by this policing system, significantly enhanced population fitness under different stress conditions and in plant rhizosphere. This study provides insights into our understanding of maintenance and evolution of microbial cooperation.