Over the past decade, free-air CO2 enrichment (FACE) experiments have been conducted on wheat, perennial ryegrass, and rice, which are C3 grasses; sorghum, a C4 grass; white clover, a C3 legume; potato, a C3 forb with tuber storage; and cotton and grape, which are C3 woody perennials. Elevated CO2 increased photosynthesis, biomass, and yield substantially in C3 species, but little in C4. It decreased stomatal conductance in both C3 and C4 species and greatly improved water-use efficiency in all crops. Growth stimulations were as large or larger under water stress compared to well-watered conditions. At low soil N, stimulations of nonlegumes were reduced, whereas elevated CO2 strongly stimulated the growth of the clover legume at both ample and low N conditions. Roots were generally stimulated more than shoots. Woody perennials had larger growth responses to elevated CO2, but their reductions in stomatal conductance were smaller. Tissue N concentrations went down, while carbohydrate and some other carbon-based compounds went up, with leaves being the organs affected most. Phenology was accelerated slightly in most but not all species. Elevated CO2 affected some soil microbes greatly but not others, yet overall activity was stimulated. Detection of statistically significant changes in soil organic carbon in any one study was nearly impossible, yet combining results from several sites and years, it appeared that elevated CO2 did increase sequestration of soil carbon. Comparisons of the FACE results with those from earlier chamber-based results were consistent, which gives confidence that conclusions drawn from both types of data are accurate.

A Fungal Culprit to Carbon Loss In some ecosystems, such as in the layer of soil containing plant roots, fungi, and bacteria, increased levels of CO 2 should stimulate more efficient aboveground photosynthesis, which in turn should promote increased sequestration of organic carbon in soil through the protective action of arbuscular mycorrhizal fungi. However, in a series of field and microcosm experiments performed under elevated levels of CO 2 thought to be consistent with future emissions scenarios, Cheng et al. (p. 1084 ; see the Perspective by Kowalchuk ) observed that these fungi actually promote degradation of soil organic carbon, releasing more CO 2 in the process.

Significance Plant growth requires acquisition of soil nutrients in a patchy environment. Nutrient patches may be actively foraged by symbioses comprising roots and mycorrhizal fungi. Here, we show that thicker root tree species (e.g., tulip poplar, pine) respond weakly or not at all to nutrient heterogeneity. In contrast, thinner root tree species readily respond by selectively growing roots [arbuscular mycorrhizal trees (e.g., maple)] or mycorrhizal fungal hyphae [ectomycorrhizal trees (e.g., oak)] in nutrient-rich “hotspots.” Our results thus indicate predictable patterns of nutrient foraging among tree species with contrasting mycorrhiza types and root morphologies. These findings can pave the way for a more holistic understanding of root-microbial function, which is critical to plant growth and biogeochemical cycles in forested ecosystems.

Abstract Motivation The nitrogen (N) cycle is a collection of important biogeochemical pathways in the Earth ecosystem and has gained extensive foci in ecology and environmental studies. Currently, shotgun metagenome sequencing has been widely applied to explore gene families responsible for N cycle processes. However, there are problems in applying publically available orthology databases to profile N cycle gene families in shotgun metagenomes, such as inefficient database searching, unspecific orthology groups and low coverage of N cycle genes and/or gene (sub)families. Results To solve these issues, this study built a manually curated integrative database (NCycDB) for fast and accurate profiling of N cycle gene (sub)families from shotgun metagenome sequencing data. NCycDB contains a total of 68 gene (sub)families and covers eight N cycle processes with 84 759 and 219 146 representative sequences at 95 and 100% identity cutoffs, respectively. We also identified 1958 homologous orthology groups and included corresponding sequences in the database to avoid false positive assignments due to ‘small database’ issues. We applied NCycDB to characterize N cycle gene (sub)families in 52 shotgun metagenomes from the Global Ocean Sampling expedition. Further analysis showed that the structure and composition of N cycle gene families were most strongly correlated with latitude and temperature. NCycDB is expected to facilitate N cycle studies via shotgun metagenome sequencing approaches in various environments. The framework developed in this study can be served as a good reference to build similar knowledge-based functional gene databases in various processes and pathways. Availability and implementation NCycDB database files are available at https://github.com/qichao1984/NCyc. Supplementary information Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Abstract Soil organic matter (SOM) stocks contain nearly three times as much carbon (C) as the atmosphere and changes in soil C stocks may have a major impact on future atmospheric carbon dioxide concentrations and climate. Over the past two decades, much research has been devoted to examining the influence of warming on SOM decomposition in topsoil. Most SOM, however, is old and stored in subsoil. The fate of subsoil SOM under future warming remains highly uncertain. Here, by combining a long-term field warming experiment and a meta-analysis study, we showed that warming significantly increased SOM decomposition in subsoil. We also showed that a decade of warming promoted decomposition of subsoil SOM with turnover times of decades to millennia in a tall grass prairie and this effect was largely associated with shifts in the functional gene structure of microbial communities. By coupling stable isotope probing with metagenomics, we found that microbial communities in warmed soils possessed a higher relative abundance of key functional genes involved in the degradation of organic materials with varying recalcitrance than those in control soils. These findings suggest warming may considerably alter the stability of the vast pool of old SOM in subsoil, contributing to the long-term positive feedback between the C cycle and climate.