The tempo and mode of evolutionary dynamics in wild bacterial communities

野生细菌群落进化动力学的节奏和模式

基本信息

  • 批准号:
    NE/V011596/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 80.69万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2021 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

All species live in diverse assemblages with many hundreds of other species. A key challenge for environmental science is to understand complex ecosystems in enough detail to predict how they will respond to fluctuating environments. This is difficult because whole-ecosystem responses depend on traits of all constituent species and interactions among them. Critically, species traits are not just constant but evolve over time. Moreover, the way that traits evolve interacts with ecological changes in abundance and distribution. Accounting for evolution in diverse communities is therefore vital for managing natural systems over policy-relevant timescales. This project will tackle this problem in bacteria. Bacteria live in exceptionally diverse communities and underpin many processes that human populations depend upon, such as nutrient cycling, decomposition, waste treatment and human nutrition. We know that they evolve rapidly over days, weeks and months in the laboratory and when exposed to strong selection pressures, such as antibiotics. The typical speed and drivers of evolution in wild bacterial communities remains largely unknown, however, due to challenges in tracking evolution in such diverse systems. We will take advantage of recent advances in genome sequencing, robot handling of laboratory assays, and manipulative experiments to document evolution in wild bacterial communities. Our system comprises the bacteria living in ephemeral pools formed by the roots of beech trees, called tree-holes. We have previously developed experimental evolution for these communities in the laboratory and surveyed diversity in the field - here, we will integrate these approaches and quantify evolutionary dynamics in wild tree-holes. We will compare control tree-holes in normal conditions with tree-holes perturbed by an increase in pH above the natural range implemented by liming. We will quantify the tempo of ecological and genetic changes over a hierarchy of time-scales (weeks, months, to a year) from metagenome and targeted genome sequencing data and estimate key parameters that determine evolutionary rates such as generation times, effective population size, and the frequency of positive selection - currently unknown in wild bacteria. The work will develop new methodology applicable to other systems in future, including both bacteria and eukaryotes.To characterise the mode of evolution, we will use time-shift assays to test whether the bacterial communities are continually coevolving (as proposed by the Red Queen paradigm of evolution) or primarily adapting to changes in abiotic conditions (as proposed by the Court Jester paradigm) or coexist at an evolutionary equilibrium (as proposed by a Static paradigm). Further tests for local co-adaptation will determine whether communities coevolve locally within patches. This approach will involve running over 50,000 growth assays on robotic systems, an approach we have trialled in earlier studies to demonstrate feasibility here. To determine the importance of dispersal for community dynamics further, in tandem we will run experiments with whole communities in bottles in the laboratory, comparing responses between bottles that regularly receive an influx of bacteria from a regional pool and closed bottles that do not after initial inoculation. In combination, the results will reveal the relative importance of local dynamics versus dispersal, and biotic versus abiotic conditions, in setting the mode of evolution in wild bacteria. Our findings on tempo and mode of bacterial evolutionary dynamics will provide key data for future prediction and management of microbial systems across a wide range of applications.
所有物种都与其他数百种物种生活在不同的组合中。环境科学面临的一个关键挑战是,要足够详细地了解复杂的生态系统,以预测它们将如何对波动的环境作出反应。这是困难的,因为整个生态系统的反应取决于所有组成物种的特征和它们之间的相互作用。重要的是,物种特征不仅是恒定的,而且会随着时间的推移而进化。此外,性状进化的方式与丰度和分布的生态变化相互作用。因此,考虑不同群落的进化对于在与政策相关的时间尺度上管理自然系统至关重要。这个项目将在细菌中解决这个问题。细菌生活在极其多样化的群落中,支撑着人类赖以生存的许多过程,如养分循环、分解、废物处理和人类营养。我们知道,在实验室中,当它们面临强大的选择压力(比如抗生素)时,它们会在几天、几周甚至几个月的时间里迅速进化。然而,野生细菌群落的典型进化速度和驱动因素在很大程度上仍然未知,因为在如此多样化的系统中追踪进化存在挑战。我们将利用基因组测序、机器人处理实验室分析和操作实验方面的最新进展来记录野生细菌群落的进化。我们的系统由生活在山毛榉树根形成的短暂池塘中的细菌组成,这些池塘被称为树洞。我们之前已经在实验室里对这些群落进行了实验进化,并在野外调查了多样性——在这里,我们将整合这些方法,量化野生树洞的进化动态。我们将比较正常条件下的对照树洞和因pH值超过自然范围而受石灰化影响的树洞。我们将根据宏基因组和目标基因组测序数据,在时间尺度(数周、数月至一年)的层次上量化生态和遗传变化的速度,并估计决定进化速率的关键参数,如世代次数、有效种群大小和阳性选择频率——目前在野生细菌中未知。这项工作将开发适用于未来其他系统的新方法,包括细菌和真核生物。为了描述进化模式,我们将使用时移法来测试细菌群落是持续共同进化(如红皇后进化范式所提出的),还是主要适应非生物条件的变化(如宫廷小丑范式所提出的),还是在进化平衡中共存(如静态范式所提出的)。对局部共同适应的进一步测试将确定群落是否在局部斑块内共同进化。这种方法将涉及在机器人系统上进行超过50,000次的生长分析,我们在早期的研究中试用了这种方法,以证明这种方法的可行性。为了进一步确定扩散对群落动态的重要性,我们将在实验室中对整个群落进行实验,比较在初始接种后定期从区域池中接收细菌流入的瓶子和没有接收细菌流入的封闭瓶子之间的反应。综合起来,这些结果将揭示局部动态与扩散、生物与非生物条件在确定野生细菌进化模式中的相对重要性。我们对细菌进化动力学的速度和模式的研究结果将为未来微生物系统的预测和管理提供关键数据。

项目成果

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