Chance and pleiotropy dominate genetic diversity in complex bacterial environments

多效性 生物 上位性 等位基因 遗传学 原噬菌体 枯草芽孢杆菌 生物膜 基因 可进化性 突变体 中性突变 遗传多样性 遗传适应性 表型 进化生物学 细菌 人口 大肠杆菌 噬菌体 人口学 社会学
作者
Lianet Noda‐García,Dan Davidi,Elisa Korenblum,Assaf Elazar,Ekaterina V. Putintseva,Asaph Aharoni,Dan S. Tawfik
出处
期刊:Nature microbiology 卷期号:4 (7): 1221-1230 被引量:47
标识
DOI:10.1038/s41564-019-0412-y
摘要

How does environmental complexity affect the evolution of single genes? Here, we measured the effects of a set of Bacillus subtilis glutamate dehydrogenase mutants across 19 different environments-from phenotypically homogeneous single-cell populations in liquid media to heterogeneous biofilms, plant roots and soil populations. The effects of individual gene mutations on organismal fitness were highly reproducible in liquid cultures. However, 84% of the tested alleles showed opposing fitness effects under different growth conditions (sign environmental pleiotropy). In colony biofilms and soil samples, different alleles dominated in parallel replica experiments. Accordingly, we found that in these heterogeneous cell populations the fate of mutations was dictated by a combination of selection and drift. The latter relates to programmed prophage excisions that occurred during biofilm development. Overall, for each condition, a wide range of glutamate dehydrogenase mutations persisted and sometimes fixated as a result of the combined action of selection, pleiotropy and chance. However, over longer periods and in multiple environments, nearly all of this diversity would be lost-across all the environments and conditions that we tested, the wild type was the fittest allele.
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