Summary Plant microbiomes are essential to host health and productivity but the ecological processes that govern crop microbiome assembly are not fully known. Here we examined bacterial communities across 684 samples from soils (rhizosphere and bulk soil) and multiple compartment niches (rhizoplane, root endosphere, phylloplane, and leaf endosphere) in maize ( Zea mays )‐wheat ( Triticum aestivum )/barley ( Hordeum vulgare ) rotation system under different fertilization practices at two contrasting sites. Our results demonstrate that microbiome assembly along the soil‐plant continuum is shaped predominantly by compartment niche and host species rather than by site or fertilization practice. From soils to epiphytes to endophytes, host selection pressure sequentially increased and bacterial diversity and network complexity consequently reduced, with the strongest host effect in leaf endosphere. Source tracking indicates that crop microbiome is mainly derived from soils and gradually enriched and filtered at different plant compartment niches. Moreover, crop microbiomes were dominated by a few dominant taxa ( c. 0.5% of bacterial phylotypes), with bacilli identified as the important biomarker taxa for wheat and barley and Methylobacteriaceae for maize. Our work provides comprehensive empirical evidence on host selection, potential sources and enrichment processes for crop microbiome assembly, and has important implications for future crop management and manipulation of crop microbiome for sustainable agriculture.

The plant microbiome is an integral part of the host and increasingly recognized as playing fundamental roles in plant growth and health. Increasing evidence indicates that plant rhizosphere recruits beneficial microbes to the plant to suppress soil-borne pathogens. However, the ecological processes that govern plant microbiome assembly and functions in the below- and aboveground compartments under pathogen invasion are not fully understood. Here, we studied the bacterial and fungal communities associated with 12 compartments (e.g., soils, roots, stems, and fruits) of chili pepper (Capsicum annuum L.) using amplicons (16S and ITS) and metagenomics approaches at the main pepper production sites in China and investigated how Fusarium wilt disease (FWD) affects the assembly, co-occurrence patterns, and ecological functions of plant-associated microbiomes.The amplicon data analyses revealed that FWD affected less on the microbiome of pepper reproductive organs (fruit) than vegetative organs (root and stem), with the strongest impact on the upper stem epidermis. Fungal intra-kingdom networks were less stable and their communities were more sensitive to FWD than the bacterial communities. The analysis of microbial interkingdom network further indicated that FWD destabilized the network and induced the ecological importance of fungal taxa. Although the diseased plants were more susceptible to colonization by other pathogenic fungi, their below- and aboveground compartments can also recruit potential beneficial bacteria. Some of the beneficial bacterial taxa enriched in the diseased plants were also identified as core taxa for plant microbiomes and hub taxa in networks. On the other hand, metagenomic analysis revealed significant enrichment of several functional genes involved in detoxification, biofilm formation, and plant-microbiome signaling pathways (i.e., chemotaxis) in the diseased plants.Together, we demonstrate that a diseased plant could recruit beneficial bacteria and mitigate the changes in reproductive organ microbiome to facilitate host or its offspring survival. The host plants may attract the beneficial microbes through the modulation of plant-microbiome signaling pathways. These findings significantly advance our understanding on plant-microbiome interactions and could provide fundamental and important data for harnessing the plant microbiome in sustainable agriculture. Video abstract.

Abstract Background Plants live with diverse microbial communities which profoundly affect multiple facets of host performance, but if and how host development impacts the assembly, functions and microbial interactions of crop microbiomes are poorly understood. Here we examined both bacterial and fungal communities across soils, epiphytic and endophytic niches of leaf and root, and plastic leaf of fake plant (representing environment-originating microbes) at three developmental stages of maize at two contrasting sites, and further explored the potential function of phylloplane microbiomes based on metagenomics. Results Our results suggested that plant developmental stage had a much stronger influence on the microbial diversity, composition and interkingdom networks in plant compartments than in soils, with the strongest effect in the phylloplane. Phylloplane microbiomes were co-shaped by both plant growth and seasonal environmental factors, with the air (represented by fake plants) as its important source. Further, we found that bacterial communities in plant compartments were more strongly driven by deterministic processes at the early stage but a similar pattern was for fungal communities at the late stage. Moreover, bacterial taxa played a more important role in microbial interkingdom network and crop yield prediction at the early stage, while fungal taxa did so at the late stage. Metagenomic analyses further indicated that phylloplane microbiomes possessed higher functional diversity at the early stage than the late stage, with functional genes related to nutrient provision enriched at the early stage and N assimilation and C degradation enriched at the late stage. Coincidently, more abundant beneficial bacterial taxa like Actinobacteria, Burkholderiaceae and Rhizobiaceae in plant microbiomes were observed at the early stage, but more saprophytic fungi at the late stage. Conclusions Our results suggest that host developmental stage profoundly influences plant microbiome assembly and functions, and the bacterial and fungal microbiomes take a differentiated ecological role at different stages of plant development. This study provides empirical evidence for host exerting strong effect on plant microbiomes by deterministic selection during plant growth and development. These findings have implications for the development of future tools to manipulate microbiome for sustainable increase in primary productivity.

Plants harbour highly diverse mycobiomes which sustain essential functions for host health and productivity. However, ecological processes that govern the plant-mycobiome assembly, interactions and their impact on ecosystem functions remain poorly known. Here we characterized the ecological role and community assembly of both abundant and rare fungal taxa along the soil-plant continuums (rhizosphere, phyllosphere and endosphere) in the maize-wheat/barley rotation system under different fertilization practices at two contrasting sites. Our results indicate that mycobiome assembly is shaped predominantly by compartment niche and host species rather than by environmental factors. Moreover, crop-associated fungal communities are dominated by few abundant taxa mainly belonging to Sordariomycetes and Dothideomycetes, while the majority of diversity within mycobiomes are represented by rare taxa. For plant compartments, the abundant sub-community is mainly determined by stochastic processes. In contrast, the rare sub-community is more sensitive to host selection and mainly governed by deterministic processes. Furthermore, our results demonstrate that rare taxa play an important role in fungal co-occurrence network and ecosystem functioning like crop yield and soil enzyme activities. These results significantly advance our understanding of crop mycobiome assembly and highlight the key role of rare taxa in sustaining the stability of crop mycobiomes and ecosystem functions.

Abstract Botrytis cinerea is a broad-host-range necrotrophic phytopathogen responsible for serious crops diseases. To facilitate infection, B. cinerea secretes a large number of effectors that induce plant cell death. In screening secretome data of B. cinerea during infection stage, we identified a phytotoxic protein (BcPTP1) that can also induce immune resistance in plants. BcPTP1 is a small (90 aa), cysteine rich protein without any known domains. Transiently expression of BcPTP1 in leaves caused chlorosis that intensifies with time and eventually lead to cell death. Point mutations in eight of the 10 cysteine residues of BcPTP1 abolished the toxic effect, however residual toxic activity remained after heating the peptide, suggesting contribution of unknown epitopes to protein phytotoxic effect. The transcript level of the bcptp1 gene was low during the first 36 h after inoculation and increased sharply upon transition to the late infection stage, suggesting a role of BcPTP1 in lesion spreading. While statistically insignificant, deletion of the bcptp1 gene led to slightly smaller lesions on bean leaves. Further analyses indicated that BcPTP1 is internalized into plant cells after secreting into the apoplast and its phytotoxic effect is negatively regulated by the receptor-like kinases BAK1 and SOBIR1. Collectively, our findings show that BcPTP1 is a virulence factor that toxifies the host cells and facilitates lesion spreading during the late infection stage.