Abstract Background The relationship between biodiversity and soil microbiome stability remains poorly understood. Here, we investigated the impacts of bacterial phylogenetic diversity on the functional traits and the stability of the soil microbiome. Communities differing in phylogenetic diversity were generated by inoculating serially diluted soil suspensions into sterilized soil, and the stability of the microbiome was assessed by detecting community variations under various pH levels. The taxonomic features and potential functional traits were detected by DNA sequencing. Results We found that bacterial communities with higher phylogenetic diversity tended to be more stable, implying that microbiomes with higher biodiversity are more resistant to perturbation. Functional gene co-occurrence network and machine learning classification analyses identified specialized metabolic functions, especially “nitrogen metabolism” and “phosphonate and phosphinate metabolism,” as keystone functions. Further taxonomic annotation found that keystone functions are carried out by specific bacterial taxa, including Nitrospira and Gemmatimonas , among others. Conclusions This study provides new insights into our understanding of the relationships between soil microbiome biodiversity and ecosystem stability and highlights specialized metabolic functions embedded in keystone taxa that may be essential for soil microbiome stability.

Abstract A growing body of evidence suggests that microbial α-diversity (local species richness) may have positive effects on ecosystem function. However, less attention has been paid to β-diversity (the variation among local microbial assemblages). Here we studied the impact of microbial α-diversity on stochastic/deterministic microbial community assembly processes, which are related to β-diversity, and the consequences for community function. Bacterial communities differing in α-diversity were generated and their structures and potential community functional traits were inferred from DNA sequencing. Phylogenetic null modeling analysis suggests that stochastic assembly processes are dominant in high-diversity communities. However, in low-diversity communities, deterministic assembly processes are dominant, associating with the reduction of specialized functions that are correlated with specific bacterial taxa. Overall, we suggest that the low-diversity-induced deterministic community assembly processes may constrain community functions, highlighting the potential roles of specialized functions in community assembly and in generating and sustaining the function of soil ecosystems.

Salt stress reduces plant growth and is now becoming one of the most important factors restricting agricultural productivity. Inoculation of plant growth‐promoting rhizobacteria (PGPR) has been shown to confer plant tolerance against abiotic stress, but the detailed mechanisms of how this occurs remain unclear. In this study, hydroponic experiments indicated that the PGPR strain Bacillus amyloliquefaciens SQR9 could help maize plants tolerate salt stress. After exposure to salt stress for 20 days, SQR9 significantly promoted the growth of maize seedlings and enhanced the chlorophyll content compared with the control. Additional analysis showed that the involved mechanisms could be the enhanced total soluble sugar content for decreasing cell destruction, improved peroxidase/catalase activity and glutathione content for scavenging reactive oxygen species, and reduced Na + levels in the plant to decrease Na + toxicity. These physiological appearances were further confirmed by the upregulation of RBCS , RBCL , H + ‐PPase , HKT1 , NHX1 , NHX2 and NHX3 , as well as downregulation of NCED expression, as determined by quantitative reverse transcription‐polymerase chain reaction. However, SQR9 counteracted the increase of abscisic acid in response to salt stress. In summary, these results show that SQR9 confers plant salt tolerance by protecting the plant cells and managing Na + homeostasis. Hence, it can be used in salt stress prone areas, thereby promoting agricultural production.

ABSTRACT Rhizosphere microorganisms interact with plant roots by producing chemical signals to regulate root development. However, the involved distinct bioactive compounds and the signal transduction pathways are remaining to be identified. Here, we show that sesquiterpenes (SQTs) are the main volatile compounds produced by plant beneficial Trichoderma guizhouense NJAU 4742, inhibition of SQTs synthesis in this strain indicated their involvement in plant-fungus cross-kingdom signaling. SQTs component analysis further identified the cedrene, a high abundant SQT in strain NJAU 4742, could stimulate plant growth and root development. Genetic analysis and auxin transport inhibition showed that auxin receptor TIR1, AFB2, auxin-responsive protein IAA14, and transcription factor ARF7, ARF19 affect the response of lateral roots to cedrene. Moreover, auxin influx carrier AUX1, efflux carrier PIN2 were also indispensable for cedrene-induced lateral root formation. Confocal imaging showed that cedrene affected the expression of pPIN2:PIN2:GFP and pPIN3:PIN3:GFP , which may be related to the effect of cedrene on root morphology. These results suggest that a novel SQT molecule from plant beneficial T. guizhouense can regulate plant root development through auxin transport and signaling. One-sentence Summary Cedrene, a high- abundance sesquiterpenes produced by plant beneficial Trichoderma guizhouense NJAU 4742, stimulates Arabidopsis lateral root formation and primary root elongation by relying on auxin signaling pathway and auxin transporter PIN2 and AUX1.

Abstract Microbial cooperation is vulnerable to exploitation by social cheaters. Although the strategies for controlling genotypic cheaters have been well investigated, the mechanism and significance of preventing phenotypic cheating remain largely unknown. Here, we revealed the molecular mechanism and ecological significance of a policing system for punishing phenotypic cheaters in the community of a plant beneficial strain Bacillus velezensis SQR9. Coordinated activation of extracellular matrix (ECM) production and autotoxin bacillunoic acids (BAs) biosynthesis/self-immunity, punished public goods-nonproducing cheaters in strain SQR9’s community. Spo0A was identified to be the co-regulator for triggering both ECM production and BAs synthesis/immunity, which activates acetyl-CoA carboxylase (ACC) to produce malonyl-CoA, an essential precursor for BAs biosynthesis, thereby stimulating BAs production and self-immunity. Elimination of phenotypic cheaters by this policing system, significantly enhanced population fitness under different stress conditions and in plant rhizosphere. This study provides insights into our understanding of maintenance and evolution of microbial cooperation.

Abstract Collective behavior of bacteria is regulated by quorum sensing (QS). Bacterial cells sense the density of the population and induce corresponding traits and developmental processes. Autoinducer-2 (AI-2) is a common QS signal that regulates behavior of both Gram-positive and Gram-negative bacteria. In spite of the plethora of processes described to be influenced by AI-2 in diverse Gram-negative bacteria, the AI-2-regulated processes in Bacilli are relatively unexplored. Previously, we demonstrated that AI-2 regulates root colonization of Bacillus velezensis SQR9, a well-studied plant beneficial rhizobacterium. Here, we describe a novel function for AI-2 in B. velezensis SQR9 related to development of dormant spores. AI-2 inhibited the initiation of spore development throught the phosphatase RapC and the DNA binding regulator ComA. Using mutant strains and protein-protein interaction studies, we demonstrate that AI-2 interacts with RapC to stimulate its binding to ComA and therefore inactive ComA. We further demonstrate that ComA is essential for Spo0A-regulated sporulation in B. velezensis SQR9. Finally, the AI-2 molecule could be shared cross species for inhibiting Bacillus sporulation. Our study revealed a novel function and regulation mechanism of AI-2 in sporulation inhibition of Bacilli that overall suggests sporulation to be a population-level decision process in Bacilli rather than just a individual cell behavior. Author summary Quorum sensing (QS) regulates many bacterial social behavior. Bacteria cells could moniter and respond cell density by sensing the self produced QS signals. While most QS signals are unique for either Gram-positive or Gram-negative bacteria, autoinducer-2 (AI-2) is a QS signal that could produced by both bacteria groups. However, knowledge of the mechanism of AI-2 affecting bacterial behavior is poorly understood. Here, we found AI-2 inhibite Bacillus velezensis SQR9 sporulation, a generally known bacterial individual behavior. We further revealed the mechanism of AI-2 influencing sporulation of B. velezensis SQR9 was dependent on RapC and ComA. AI-2 interacts with RapC to stimulate its binding to ComA and therefore inactive ComA, and then inhibited the Spo0A-regulated sporulation. Interestingly, we show B. velezensis SQR9 could also sense the AI-2 produced by other bacteria and reduce their own sporulation. Taken together we discovered the novel function of AI-2 in sporulation, which will expand the significance of QS signal that they regulate not only social behavior but also individual behavior of bacteria.

Summary Niche colonization is the key for bacterial adaptation to the environment, and competition for iron largely determines root colonization by rhizosphere microbes. Pathogenic and beneficial symbiotic bacteria use various unique secretion systems to support plant colonization or acquire limited resources from the environment. However, ubiquitous nonsymbiotic beneficial rhizobacteria have never been reported to use a unique secretion system to facilitate colonization. Here, we show that the type VII secretion system (T7SS) of the beneficial rhizobacterium Bacillus velezensis SQR9 contributes to root colonization. Knocking out T7SS and the major secreted protein YukE in SQR9 caused a significant decrease in root colonization. Moreover, the T7SS and YukE caused iron loss in plant roots in the early stage after inoculation, which contributed to root colonization by SQR9. Interestingly, purified YukE, but not inactivated YukE, could change the permeability of root cells. We speculated that secreted YukE might be directly inserted into the root cell membrane to cause iron leakage, indicating that the bacterial protein and root cell membrane interact directly. Moreover, a bacterial siderophore and the T7SS may be coordinately involved in iron acquisition by B. velezensis SQR9 for efficient root colonization. We showed that the beneficial rhizobacterium B. velezensis SQR9 could acquire iron from roots via the T7SS for rapid colonization. These findings provide the first insight into the function of the unique secretion system in nonsymbiotic beneficial rhizobacteria and reveal a novel mutualism in which plants and bacteria might share iron in a sequential manner.