Harnessing beneficial microbes presents a promising strategy to optimize plant growth and agricultural sustainability. Little is known to which extent and how specifically soil and plant microbiomes can be manipulated through different cropping practices. Here, we investigated soil and wheat root microbial communities in a cropping system experiment consisting of conventional and organic managements, both with different tillage intensities. While microbial richness was marginally affected, we found pronounced cropping effects on community composition, which were specific for the respective microbiomes. Soil bacterial communities were primarily structured by tillage, whereas soil fungal communities responded mainly to management type with additional effects by tillage. In roots, management type was also the driving factor for bacteria but not for fungi, which were generally determined by changes in tillage intensity. To quantify an "effect size" for microbiota manipulation, we found that about 10% of variation in microbial communities was explained by the tested cropping practices. Cropping sensitive microbes were taxonomically diverse, and they responded in guilds of taxa to the specific practices. These microbes also included frequent community members or members co-occurring with many other microbes in the community, suggesting that cropping practices may allow manipulation of influential community members. Understanding the abundance patterns of cropping sensitive microbes presents the basis towards developing microbiota management strategies for smart farming. For future targeted microbiota management—e.g., to foster certain microbes with specific agricultural practices—a next step will be to identify the functional traits of the cropping sensitive microbes.

Diverse assemblages of microbes colonize plant roots and collectively function as a microbiome. Earlier work has characterized the root microbiomes of numerous plant species, but little information is available for legumes despite their key role in numerous ecosystems including agricultural systems. Legumes form a root nodule symbiosis with nitrogen-fixing Rhizobia bacteria and thereby account for large, natural nitrogen inputs into soils. Here, we describe the root bacteria microbiome of the legume Trifolium pratense combining culture-dependent and independent methods. For a functional understanding of individual microbiome members and their impact on plant growth, we began to inoculate root microbiome members alone or in combination to Trifolium roots. At a whole-root scale, Rhizobia bacteria accounted for ~70% of the root microbiome. Other enriched members included bacteria from the genera Pantoea, Sphingomonas, Novosphingobium, and Pelomonas. We built a reference stock of 200 bacteria isolates, and we found that they corresponded to ~20% of the abundant root microbiome members. We developed a microcosm system to conduct simplified microbiota inoculation experiments with plants. We observed that while an abundant root microbiome member reduced plant growth when inoculated alone, this negative effect was alleviated if this Flavobacterium was co-inoculated with other root microbiome members. The Trifolium root microbiome was dominated by nutrient-providing Rhizobia bacteria and enriched for bacteria from genera that may provide disease protection. First microbiota inoculation experiments indicated that individual community members can have plant growth compromising activities without being apparently pathogenic, and a more diverse root community can alleviate plant growth compromising activities of its individual members. A trait-based characterization of the reference stock bacteria will permit future microbiota manipulation experiments to decipher overall microbiome functioning and elucidate the biological mechanisms and interactions driving the observed effects. The presented reductionist experimental approach offers countless opportunities for future systematic and functional examinations of the plant root microbiome.

Agriculture is a major source of nutrient pollution, posing a threat to the earth system functioning. Factors determining the nutrient use efficiency of plant-soil systems need to be identified to develop strategies to reduce nutrient losses while ensuring crop productivity. The potential of soil biota to tighten nutrient cycles by improving plant nutrition and reducing soil nutrient losses is still poorly understood. We manipulated soil biota communities in outdoor lysimeters, planted maize, continuously collected leachates, and measured N2 O- and N2 -gas emissions after a fertilization pulse to test whether differences in soil biota communities affected nutrient recycling and N losses. Lysimeters with strongly simplified soil biota communities showed reduced crop N (-20%) and P (-58%) uptake, strongly increased N leaching losses (+65%), and gaseous emissions (+97%) of N2 O and N2 . Soil metagenomic analyses revealed differences in the abundance of genes responsible for nutrient uptake, nitrate reduction, and denitrification that helped explain the observed nutrient losses. Soil biota are major drivers of nutrient cycling and reductions in the diversity or abundance of certain groups (e.g. through land-use intensification) can disrupt nutrient cycling, reduce agricultural productivity and nutrient use efficiency, and exacerbate environmental pollution and global warming.

Sorghum bicolor is a promising bioenergy feedstock with high biomass production and unusual tolerance for stresses such as water and nutrient limitation. While the membership of the sorghum microbiome in response to stress has been explored, relatively little is known about how microbe-microbe networks change under water- or nutrient-limited conditions. This is important because network changes can indicate impacts on the functionality and stability of microbial communities. We performed network-based analysis on the core bacterial and archaeal community of an agronomically promising high biomass bioenergy genotype, Grassl, grown under nitrogen and water stress. Stress caused relatively minor changes in bacterial abundances within soil, rhizosphere, and endosphere communities, but led to significant changes in bacterial network structure and modularity. We found a complete reorganization of network roles in all plant compartments as well as an increase in the modularity and proportion of positive associations which potentially could represent coexistence and cooperation in the sorghum bacterial/archaeal community under stress. While stressors are often believed to be destabilizing, we found stressed networks were as or more stable than non-stressed networks likely due to their redundancy and compartmentalization. Together, these findings support the idea that both sorghum and its bacterial/archaeal community can be resilient to future environmental stressors.