Human alterations to nutrient cycles and herbivore communities are affecting global biodiversity dramatically. Ecological theory predicts these changes should be strongly counteractive: nutrient addition drives plant species loss through intensified competition for light, whereas herbivores prevent competitive exclusion by increasing ground-level light, particularly in productive systems. Here we use experimental data spanning a globally relevant range of conditions to test the hypothesis that herbaceous plant species losses caused by eutrophication may be offset by increased light availability due to herbivory. This experiment, replicated in 40 grasslands on 6 continents, demonstrates that nutrients and herbivores can serve as counteracting forces to control local plant diversity through light limitation, independent of site productivity, soil nitrogen, herbivore type and climate. Nutrient addition consistently reduced local diversity through light limitation, and herbivory rescued diversity at sites where it alleviated light limitation. Thus, species loss from anthropogenic eutrophication can be ameliorated in grasslands where herbivory increases ground-level light.

Abstract Aboveground–belowground interactions exert critical controls on the composition and function of terrestrial ecosystems, yet the fundamental relationships between plant diversity and soil microbial diversity remain elusive. Theory predicts predominantly positive associations but tests within single sites have shown variable relationships, and associations between plant and microbial diversity across broad spatial scales remain largely unexplored. We compared the diversity of plant, bacterial, archaeal and fungal communities in one hundred and forty‐five 1 m 2 plots across 25 temperate grassland sites from four continents. Across sites, the plant alpha diversity patterns were poorly related to those observed for any soil microbial group. However, plant beta diversity (compositional dissimilarity between sites) was significantly correlated with the beta diversity of bacterial and fungal communities, even after controlling for environmental factors. Thus, across a global range of temperate grasslands, plant diversity can predict patterns in the composition of soil microbial communities, but not patterns in alpha diversity.

Analysis of multi-year nutrient enrichment experiments carried out on 45 global grassland sites show that an addition of an increasing number of nutrients leads to a reduction in plant species diversity, and competition for multiple belowground resources promotes plant species diversity. Theory suggests that the presence of multiple limiting resources within an ecosystem allows for trade-offs between species, promoting the potential for coexistence. William Harpole and colleagues test this theory in plant communities, using data from the international Nutrient Network collaboration. They compile data from multi-year nutrient enrichment experiments carried out on 45 grassland sites on five continents to show that the addition of an increasing number of nutrients leads to a reduction in plant species diversity. The findings suggest that competition for below-ground resources promotes plant species diversity. Niche dimensionality provides a general theoretical explanation for biodiversity—more niches, defined by more limiting factors, allow for more ways that species can coexist1. Because plant species compete for the same set of limiting resources, theory predicts that addition of a limiting resource eliminates potential trade-offs, reducing the number of species that can coexist2. Multiple nutrient limitation of plant production is common and therefore fertilization may reduce diversity by reducing the number or dimensionality of belowground limiting factors. At the same time, nutrient addition, by increasing biomass, should ultimately shift competition from belowground nutrients towards a one-dimensional competitive trade-off for light3. Here we show that plant species diversity decreased when a greater number of limiting nutrients were added across 45 grassland sites from a multi-continent experimental network4. The number of added nutrients predicted diversity loss, even after controlling for effects of plant biomass, and even where biomass production was not nutrient-limited. We found that elevated resource supply reduced niche dimensionality and diversity and increased both productivity5 and compositional turnover. Our results point to the importance of understanding dimensionality in ecological systems that are undergoing diversity loss in response to multiple global change factors.

Co-occurrence patterns are used in ecology to explore interactions between organisms and environmental effects on coexistence within biological communities. Analysis of co-occurrence patterns among microbial communities has ranged from simple pairwise comparisons between all community members to direct hypothesis testing between focal species. However, co-occurrence patterns are rarely studied across multiple ecosystems or multiple scales of biological organization within the same study. Here we outline an approach to produce co-occurrence analyses that are focused at three different scales: co-occurrence patterns between ecosystems at the community scale, modules of co-occurring microorganisms within communities, and co-occurring pairs within modules that are nested within microbial communities. To demonstrate our co-occurrence analysis approach, we gathered publicly available 16S rRNA amplicon datasets to compare and contrast microbial co-occurrence at different taxonomic levels across different ecosystems. We found differences in community composition and co-occurrence that reflect environmental filtering at the community scale and consistent pairwise occurrences that may be used to infer ecological traits about poorly understood microbial taxa. However, we also found that conclusions derived from applying network statistics to microbial relationships can vary depending on the taxonomic level chosen and criteria used to build co-occurrence networks. We present our statistical analysis and code for public use in analysis of co-occurrence patterns across microbial communities.

Microbial interactions occur in habitats much smaller than those generally captured in homogenized soil cores sampled across a plot or field. This study uses soil aggregates to examine soil microbial community composition and structure of both bacteria and fungi at a microbially-relevant scale. Aggregates were isolated from three land management systems in central Iowa, USA to test if aggregate-level microbial responses were sensitive to large-scale shifts in plant community and management practices. Bacteria and fungi exhibited similar patterns of community structure and diversity among soil aggregates, regardless of land management. Microaggregates supported more diverse microbial communities, and Fimbriimonadales, Acidimicrobiales, Actinomycetales, Alteromonodales, Burkholderiales, Gemmatimonadales, Rhodobacterales, Soligubrobacterales, Sphingobacteriales, Sphingomonodales, Spirobacillaes, Onygenales, Chaetosphaeriales, and Trichosporanales were indicator taxa for microaggregate communities. Large macroaggregates contained greater abundance of Pedosphaerales, Planctomycetales, Syntrophobacterales, and Glomeromycota (arbuscular mycorrhizal fungi). To demonstrate the potential for additional insights into soil microbial diversity, we calculated of a weighted proportional whole soil diversity, which accounted for microbes found in aggregate fractions and resulted in 65% greater bacterial richness and 100% greater fungal richness over independently sampled whole soil (i.e. bulk soil). Our results show microaggregates support highly diverse microbial communities, including several unidentified genera. Isolating aggregates with a microbially sensitive approach provides new opportunities to explore soil microbial communities and the factors shaping them at relevant spatial scales.

A database of curated genomes is needed to better assess soil microbial communities and their processes associated with differing land management and environmental impacts. Interpreting soil metagenomic datasets with existing sequence databases is challenging because these datasets are biased towards medical and biotechnology research and can result in misleading annotations. We have curated a database of 922 genomes of soil-associated organisms (888 bacteria and 34 archaea). Using this database, we evaluated phyla and functions that are enriched in soils as well as those that may be underrepresented in RefSoil. Our comparison of RefSoil to soil amplicon datasets allowed us to identify targets that if cultured or sequenced would significantly increase the biodiversity represented within RefSoil. To demonstrate the opportunities to access these underrepresented targets, we employed single cell genomics in a pilot experiment to sequence 14 genomes. This effort demonstrates the value of RefSoil in the guidance of future research efforts and the capability of single cell genomics as a practical means to fill the existing genomic data gaps.