Plants secrete a complex array of organic compounds, constituting about a third of their photosynthetic products, into the surrounding soil. As a result, concentration gradients are established from the roots into the bulk soil, known as the rhizosphere. Soil microbes benefit from these root exudates for their survival and propagation, and consequently, the composition of the rhizosphere microbial community follows the gradient of available compounds, a phenomenon oftentimes referred to as the rhizosphere effect. However, the fine-grained changes in the microbial community along this soil-root gradient have not been well described. Yet such insights would enable us to underpin the ecological rules underlying root microbial community assembly. Therefore, here we harvested the roots of individual Arabidopsis thaliana plants grown in three different natural soils at high-resolution, such that we could interrogate community assembly and predict microbial growth rate across consecutive, fine-grained, rhizosphere compartments. We found that the strength of the rhizosphere effect depends on root proximity and that microbial communities closer to the roots harbour related microbes. Closer to the roots, microbial community assembly became less random and more driven by selection-based processes. Intriguingly, we observed priority effects, where related microbes that arrive first are more likely to establish, and that microbes might use different ecological growth strategies to colonise the rhizosphere. All effects appeared to be independent from starting conditions as microbial community composition converged on the root despite different soil microbial seed banks. Together, our results provide a high-resolution view of the microbiome changes across the soil-root gradient.

Abstract The plant rhizosphere is a highly selective environment where bacteria have developed traits to establish themselves or outcompete other microbes. These traits include bacterial secretion systems (SS’s) that range from Type I (T1SS) to Type IX (T9SS) and can play diverse roles. The best known functions are to secrete various proteins or other compounds into the extracellular space or into neighbouring cells, including toxins to attack other microbes or effectors to suppress plant host immune responses. Here, we aimed to determine which bacterial SS’s were associated with the plant rhizosphere. We utilised paired metagenomic datasets of rhizosphere and bulk soil samples from five different plant species grown in a wide variety of soil types, amounting to ten different studies. The T3SS and T6SS were generally enriched in the rhizosphere, as observed in studies of individual plant-associated genera. We also identified additional SS’s that have received less attention thus far, such as the T2SS, T5SS and Bacteroidetes -specific T6SSiii and T9SS. The predicted secreted proteins of some of these systems (T3SS, T5SS and T6SS) could be linked to functions such as toxin secretion, adhesion to the host and facilitation of plant-host interactions (such as root penetration). The most prominent bacterial taxa with rhizosphere- or soil-enriched SS’s included Xanthomonadaceae , Oxalobacteraceae , Comamonadaceae , Caulobacteraceae , and Chitinophagaceae, broadening the scope of known plant-associated taxa that use these systems. We anticipate that the SS’s and taxa identified in this study may be utilised for the optimisation of bioinoculants to improve plant productivity.

Prokaryote genomes exhibit a wide range of GC contents and codon usages, both resulting from an interaction between mutational bias and natural selection. In order to investigate the basis underlying specific codon changes, we performed a comprehensive analysis of 29-different prokaryote families. The analysis of core-gene sets with increasing ancestries in each family lineage revealed that the codon usages became progressively more adapted to the tRNA pools. While, as previously reported, highly-expressed genes presented the more optimized codon usage, the singletons contained the less selectively-favored codons. Results showed that usually codons with the highest translational adaptation were preferentially enriched. In agreement with previous reports, a C-bias in 2- to 3-fold codons, and a U-bias in 4-fold codons occurred in all families, irrespective of the global genomic-GC content. Furthermore, the U-biases suggested that U3-mRNA U34-tRNA interactions were responsible for a prominent codon optimization in both the more ancestral core and the highly expressed genes. A comparative analysis of sequences that encode conserved-(cr) or variable-(vr) translated products, with each one being under high- (HEP) and low- (LEP) expression levels, demonstrated that the efficiency was more relevant (by a factor of 2) than accuracy to modelling codon usage. Finally, analysis of the third position of codons (GC3) revealed that, in genomes of global GC contents higher than 35-40%, selection favored a GC3 increase; whereas in genomes with very low-GC contents, a decrease in GC3 occurred. A comprehensive final model is presented where all patterns of codon usage variations are condensed in five distinct behavioral groups.