Cosmopolitan plant root symbionts The aboveground lives of plants are only sustainable because of the symbiotic soil fungi that encase their roots. These fungi swap nutrients with plants, defend them from attack, and help them withstand abrupt environmental changes. Out of necessity, fungal symbionts in the soil would appear to be restricted and local to certain plant species. Davison et al. , however, discovered that some taxa are globally distributed. How these underground fungi have dispersed so widely remains a mystery; perhaps human farmers have had something to do with it. Science , this issue p. 970

The fungal symbionts forming ectomycorrhizas, as well as their associated bacteria, benefit forest trees in a number of ways although the most important is enhancing soil nutrient mobilization and uptake. This is reciprocated by the allocation of carbohydrates by the tree to the fungus through the root interface, making the relationship a mutualistic association. Many field observations suggest that ectomycorrhizal fungi contribute to a number of key ecosystem functions such as carbon cycling, nutrient mobilization from soil organic matter, nutrient mobilization from soil minerals, and linking trees through common mycorrhizal networks. Until now, it has been very difficult to study trees and their fungal associates in forest ecosystems and most of the work on ECM functioning has been done in laboratory or nursery conditions. In this review with discuss the possibility of working at another scale, in forest settings. Numerous new techniques are emerging that makes possible the in situ study of the functional diversity of ectomycorrhizal communities. This approach should help to integrate developing research on the functional ecology of ectomycorrhizas and their associated bacteria with the potential implications of such research for managing the effects of climate change on forests.

Global species richness patterns of soil micro-organisms remain poorly understood compared to macro-organisms. We use a global analysis to disentangle the global determinants of diversity and community composition for ectomycorrhizal (EcM) fungi-microbial symbionts that play key roles in plant nutrition in most temperate and many tropical forest ecosystems. Host plant family has the strongest effect on the phylogenetic community composition of fungi, whereas temperature and precipitation mostly affect EcM fungal richness that peaks in the temperate and boreal forest biomes, contrasting with latitudinal patterns of macro-organisms. Tropical ecosystems experience rapid turnover of organic material and have weak soil stratification, suggesting that poor habitat conditions may contribute to the relatively low richness of EcM fungi, and perhaps other soil biota, in most tropical ecosystems. For EcM fungi, greater evolutionary age and larger total area of EcM host vegetation may also contribute to the higher diversity in temperate ecosystems. Our results provide useful biogeographic and ecological hypotheses for explaining the distribution of fungi that remain to be tested by involving next-generation sequencing techniques and relevant soil metadata.

In plant roots, arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are the most prevalent microsymbionts, and thereby provide many key ecosystem services to natural and agricultural ecosystems. Despite AMF’s significance for the environment and the economy, little is known about the mycorrhizal inoculum potential and diversity of AMF associated with orphan African cereal crops, specially fonio millet (Digitaria exilis stapf.) under field conditions. We hypothesized that the type of fonio millet agroecosystem influences the AMF density and distribution in soils. We therefore, assessed the inoculum potential, density and diversity of AMF spores and soil enzyme activities in five fonio millet agroecosystems belonging to three climatic zones (Sudanian, Sudano-Sahelian and Sudano-Guinean). By combining AMF spore identification from field-collected soils and trap culture, 20 species belonging to 8 genera (Acaulospora, Ambispora, Dendiscutata, Gigaspora, Glomus, Racocetra, Sclerocystis and Scutellospora) were identified. Glomus was the most represented genus with 8 species, followed by Gigaspora (5 species) and Acaulospora (2 species); the remaining genera were each represented by one species. Except for Ambispora which was not found in the Sudanian area, all genera occurred in the three climatic zones. The abundance and diversity of AMF species and FDA-hydrolytic and phosphatase activities varied between fonio millet agroecosystems as well as between climatic zones. Soil pH and soil texture were the variables that best explained the density and distribution of AMF spores. Our results contribute to paving the way towards the development of microbial engineering approaches for agronomic improvement of fonio millet.

Abstract Among legumes (Fabaceae) capable of nitrogen-fixing nodulation, several Aeschynomene spp. use a unique symbiotic process that is independent of Nod factors and infection threads. They are also distinctive in developing root and stem nodules with photosynthetic bradyrhizobia. Despite the significance of these symbiotic features, their understanding remains limited. To overcome such limitations, we conducted genetic studies of nodulation in Aeschynomene evenia , supported by the development of a genome sequence for A. evenia and transcriptomic resources for 10 additional Aeschynomene spp. Comparative analysis of symbiotic genes substantiated singular mechanisms in the early and late nodulation steps. A forward genetic screen also showed that AeCRK , coding a novel receptor-like kinase, and the symbiotic signaling genes AePOLLUX, AeCCamK, AeCYCLOPS, AeNSP2 and AeNIN , are required to trigger both root and stem nodulation. This work demonstrates the utility of the A. evenia model and provides a cornerstone to unravel new mechanisms underlying the rhizobium-legume symbiosis.

Pearl millet, unlike other cereals, is able to withstand dry and hot conditions and plays an important role for food security in arid and semi-arid areas of Africa and India. However, low soil fertility and drought constrain pearl millet yield. One of the main targets to address these constraints through agricultural practices or breeding is root system architecture. In this study, in order to easily phenotype the root system in field conditions, we developed a model to predict root length density (RLD) of pearl millet plants from root intersection densities (RID) counted on a trench profile in field conditions. We identified root orientation as an important parameter to improve the relationship between RID and RLD. Root orientation was notably found to differ between thick roots (more anisotropic with depth) and fine roots (isotropic at all depths). We used our model to study pearl millet root system response to drought and showed that pearl millet reorients its root growth toward deeper soil layers that retain more water in these conditions. Overall, this model opens ways for the characterization of the impact of environmental factors and management practices on pearl millet root system development.

Pearl millet is a key food security grain crop in the world's drylands due to its tolerance to abiotic stresses. However, its yield remains low and is negatively impacted by climate change. Root phenes are potential targets to improve crop productivity and resilience to environmental stress. However, the sheer number of combinations resulting from interactions of multiple phenes is a challenge for empirical research. In silico approaches are a plausible alternative to assess the utility of different phene combinations in varying states over diverse environmental contexts. Here, we developed an implementation of the functional-structural plant/soil model – OpenSimRoot, for pearl millet in typical sub-Sahelian soil and environmental conditions. Root architectural, anatomical, and physiological parameters were measured using a popular pearl millet variety (Souna 3) and implemented in the model. The above-ground biomass and root length density predicted by the model were similar to data from field trials. The utility of different root phenes was then evaluated for improved phosphorus uptake and plant growth in P deficient soils. Doubled root hair length and density, shallower root angle (-15°) and doubled long lateral root density were found to improve plant growth by 76%, 33% and 33% respectively under low P conditions. Moreover, these phenes showed synergism when combined in silico and led to optimal biomass production in low P supply conditions that resulted in a 75% loss of biomass in the reference variety. Our study suggests that these phenotypes could be targeted to improve biomass production in pearl millet and consequently its yield in low-P availability conditions.

As an adaptation to flooding, few legume species have the original ability to develop nitrogen-fixing nodules on the stem. By surveying wetlands of Madagascar, we found a large occurrence and diversity of stem nodulation in Aeschynomene and Sesbania legumes. They represent opportunities to investigate different modalities of the nitrogen-fixing symbiosis in legumes.

Some Aeschynomene legume species have the property of being nodulated by photosynthetic Bradyrhizobium lacking the nodABC genes. Knowledge of this unique Nod (factor)-independent symbiosis has been gained from the model A. evenia but our understanding remains limited due to the lack of comparative genetics with related taxa using a Nod-dependent process. To fill this gap, this study significantly broadened previous taxon sampling, including in allied genera, to construct a comprehensive phylogeny. This backbone tree was matched with data on chromosome number, genome size, low-copy nuclear genes and strengthened by nodulation tests and a comparison of the diploid species. The phylogeny delineated five main lineages that all contained diploid species while polyploid groups were clustered in a polytomy and were found to originate from a single paleo-allopolyploid event. In addition, new nodulation behaviours were revealed and Nod-dependent diploid species were shown to be tractable. The extended knowledge of the genetics and biology of the different lineages in the legume genus Aeschynomene provides a solid research framework. Notably, it enabled the identification of A. americana and A. patula as the most suitable species to undertake a comparative genetic study of the Nod-independent and Nod-dependent symbioses.

Abstract The rhizosheath, the layer of soil that adheres strongly to roots, influences water and nutrients acquisition. Pearl millet is a cereal crop that plays a major role for food security in arid regions of sub Saharan Africa and India. We previously showed that root-adhering soil mass is a heritable trait in pearl millet and that it correlates with changes in rhizosphere microbiota structure and functions. Here, we studied the correlation between root-adhering soil mass and root hair development, root architecture, and symbiosis with arbuscular mycorrhizal fungi and we analysed the genetic control of this trait using genome wide association (GWAS) combined with bulk segregant analysis and gene expression studies. Root-adhering soil mass was weakly correlated only to root hairs traits in pearl millet. Twelve QTLs for rhizosheath formation were identified by GWAS. Bulk segregant analysis on a biparental population validated five of these QTLs. Combining genetics with a comparison of global gene expression in the root tip of contrasted inbred lines revealed candidate genes that might control rhizosheath formation in pearl millet. Our study indicates that rhizosheath formation is under complex genetic control in pearl millet and suggests that it is mainly regulated by root exudation. Highlight Formation of the rhizosheath, a layer of soil adhering to the root, is under complex genetic control in pearl millet and is mainly regulated by root exudation.