Abstract The microbiome shapes many traits in hosts, but we still do not understand how it influences host evolution. To impact host evolution, the microbiome must be heritable and have phenotypic effects on the host. However, the complex inheritance and context-dependence of the microbiome challenges traditional models of organismal evolution. Here, we take a multifaceted approach to identify conditions in which the microbiome influences host evolutionary trajectories. We explore quantitative genetic models to highlight how microbial inheritance and phenotypic effects can modulate host evolutionary responses to selection. We synthesize the literature across diverse taxa to find common scenarios of microbiome driven host evolution. First, hosts may leverage locally adapted microbes, increasing survivorship in stressful environments. Second, microbial variation may increase host phenotypic variation, enabling exploration of novel fitness landscapes. We further illustrate these effects by performing a meta-analysis of artificial selection in Drosophila, finding that bacterial diversity also frequently responds to host selection. We conclude by outlining key avenues of research and experimental procedures to improve our understanding of the complex interplay between hosts and microbiomes. By synthesizing perspectives through multiple conceptual and analytical approaches, we show how microbiomes can influence the evolutionary trajectories of hosts.

Abstract The microbiome can contribute to variation in fitness-related traits of their hosts, and thus to host evolution. Hosts are therefore expected to be under selection to control their microbiome, for instance through controlling microbe transmission from parents to offspring. Current models have mostly focused on microbes that either increase or decrease fitness. In that case, host-level selection is relatively straightforward, favouring either complete or no inheritance. In natural systems, however, vertical transmission fidelity varies widely, and microbiome composition is often shaped by a combination of vertical and horizontal transmission modes. We propose that such mixed transmission could optimize host fitness under fluctuating environments. Using a general model, we illustrate that decreasing vertical transmission fidelity increases the amount of microbiome variation, and thus potentially phenotypic variation, across hosts. Whether or not this is advantageous depends on environmental conditions, how much the microbiome changes during host development, and the contribution of other factors to trait variation. We discuss how environmentally-dependent microbial effects can favor intermediate transmission, review examples from natural systems, and suggest research avenues to empirically test our predictions. Overall, we show that imperfect transmission may be adaptive by allowing individuals to ensure phenotypic variability in their offspring in contexts where varying environments mean that this strategy increases long-term fitness.

Abstract Can the microbiome serve as a reservoir of adaptive potential for hosts? To address this question, we leveraged ∼150 generations of experimental evolution in Drosophila melanogaster in a stressful, high-sugar (HS) diet. We performed a fully reciprocal transplant experiment using the control and evolved HS bacteria. If the microbiome confers benefits to hosts, then transplant recipients should gain fitness benefits compared to controls. Interestingly, we found that benefits do exist, but mismatches between fly evolution and microbiome exerted fitness costs by slowing development and reducing fecundity, especially in the stressful HS diet. The dominant HS bacteria ( Acetobacter pasteurianus ) uniquely encoded several genes to enable uric acid degradation, mediating the toxic effects of uric acid accumulation due to the HS diet for flies. Our study demonstrates that host genotype x microbiome x environment interactions have substantial effects on host phenotype, highlighting how host evolution and ecological context together shape the adaptive potential of the microbiome.

Abstract The timing of life history events has important fitness consequences. Since the 1950s, researchers have combined first principles and data to predict the optimal timing of life history transitions. Recently, a striking mystery has emerged. Such transitions can be shaped by a completely different branch of the tree of life: bacterial species in the microbiome. Probing these interactions using testable predictions from evolutionary theory could illuminate whether and how host-microbiome integrated life histories can evolve and be maintained. Beyond advancing fundamental science, this research program could yield important applications. In an age of microbiome engineering, understanding the contexts that lead to microbiota signaling shaping ontogeny could offer novel mechanisms for manipulations to increase yield in agriculture, or reduce pathogen transmission by affecting vector efficiency. We combine theory and evidence to illuminate the essential questions underlying the existence of M icrobiome D ependent O ntogenetic T iming (MiDOT) to fuel research on this emerging topic.

Abstract Host genetics can shape microbiome composition, but to what extent it does, remains unclear. Like any other complex trait, this question can be addressed by estimating the heritability ( h 2 ) of the microbiome – the proportion of variance in the abundance of each taxon that is attributable to host genetic variation. However, unlike most complex traits, microbiome heritability is typically based on relative abundance data, where taxon-specific abundances are expressed as the proportion of the total microbial abundance in a sample. We derived an analytical approximation for the heritability that one obtains when using such relative abundances and we uncovered three problems: 1) The interdependency between taxa leads to imprecise heritability estimates. 2) Large sample size leads to high false discovery rates, overestimating the number of heritable taxa. 3) Microbial co-abundances lead to biased heritability estimates. We conclude that caution must be taken when interpreting heritability estimates and comparing values across studies.

Abstract The microbiome contributes to many different host traits, but its role in host adaptation remains enigmatic. The fitness benefits of the microbiome often depend on ecological conditions, but fluctuations in both the microbiome and environment modulate these fitness benefits. Moreover, vertically transmitted bacteria might constrain the ability of both the microbiome and host to respond to changing environments. Drosophila melanogaster provides an excellent system to investigate the evolutionary effects of interactions between the microbiome and the environment. To address this question, we created field mesocosms of D. melanogaster undergoing seasonal adaptation with and without the vertically transmitted bacteria, Wolbachia pipientis. Sampling temporal patterns in the microbiome revealed that Wolbachia constrained microbial diversity. Furthermore, interactions between Wolbachia and the microbiome contributed to fitness-associated traits. Wolbachia often exerted negative fitness effects on hosts, and the microbiome modulated these effects. Our work supports recent theoretical advances suggesting that hosts in temporally fluctuating environments benefit from flexible microbial associations with low transmission fidelity—specifically when changes in the microbiome can better enable host phenotypes to match environment change. We conclude by exploring the consequences of complex interactions between Wolbachia and the microbiome for our understanding of eco-evolutionary processes and the utility of Wolbachia in combating vector-borne disease.

Abstract The microbiome contributes to many different host traits, but its role in host adaptation remains enigmatic. The fitness benefits of the microbiome often depend on ecological conditions, but theory suggests that fluctuations in both the microbiome and environment modulate these fitness benefits. Moreover, vertically transmitted bacteria might constrain the ability of both the microbiome and host to respond to changing environments. Drosophila melanogaster provides an excellent system to investigate the impacts of interactions between the microbiome and the environment. To address this question, we created field mesocosms of D. melanogaster undergoing seasonal environmental change with and without the vertically transmitted bacteria, Wolbachia pipientis . Sampling temporal patterns in the microbiome revealed that Wolbachia constrained microbial diversity. Furthermore, Wolbachia and a dominant member of the microbiome, Commensalibacter , were associated with differences in two higher‐order fitness traits, starvation resistance and lifespan. Our work here suggests that the interplay between the abiotic context and microbe–microbe interactions may shape key host phenotypes that underlie adaptation to changing environments. We conclude by exploring the consequences of complex interactions between Wolbachia and the microbiome for our understanding of eco‐evolutionary processes that shape host‐microbiome interactions.

Evolutionary adaptation to new environments likely results from a combination of selective sweeps and polygenic shifts, depending on the genetic architecture of traits under selection. While selective sweeps have been widely studied, polygenic responses are considered more prevalent but challenging to quantify. The infinitesimal model makes explicit the hypothesis about the dynamics of changes in allele frequencies under selection, where only allelic effect sizes, frequencies, linkage, and gametic disequilibrium matter. Departures from this, like long-range correlations of allele frequency changes, could be a signal of epistasis in polygenic response. We performed an Evolve & Resequence experiment in Drosophila melanogaster exposing flies to a high sugar diet as a source of environmental stress for over 100 generations. We tracked allele frequency changes in >3000 individually sequenced flies as well as population pools and searched for loci under selection by identifying sites with allele frequency trajectories that differentiated selection regimes consistently across replicates. We estimate that at least 4% of the genome was under positive selection, the result of a highly polygenic response. Most of this response was seen as small but consistent allele frequency changes over time, and there were only a few large allele-frequency changes (selective sweeps). We then searched for signatures of selection on pairwise combinations of alleles in the new environment and found several strong signals of putative epistatic interactions across unlinked loci that were consistent across selected populations. Finally, we measured differentially expressed genes (DEGs) across treatments and show that DEGs are enriched for selected SNPs, suggesting a regulatory basis for the selective response. Our results suggest that epistatic contributions to polygenic selective response are common and lead to detectable signatures.

Abstract Microbiomes affect many aspects of host biology, but the eco-evolutionary forces that shape their diversity in natural populations remain poorly understood. Geographic gradients, like latitudinal clines, generate predictable patterns in biodiversity at macroecological scales, but whether these macro-scale processes apply to host-microbiome interactions is an open question. To address this question, we sampled the microbiomes of 13 natural populations of Drosophila melanogaster along a latitudinal cline in eastern United States. The microbiomes were surprisingly consistent across the cline–latitude did not predict either alpha or beta diversity. Only a narrow taxonomic range of bacteria were present in all microbiomes, indicating that strict taxonomic filtering by the host and neutral ecological dynamics are the primary factors shaping the fly microbiome. Additional temporal sampling across two independent sites revealed significant differences in microbial communities over time, suggesting that local environmental differences that vary at fine spatiotemporal scales are more likely to shape the microbiome. Our findings reveal the complexity of eco-evolutionary interactions shaping microbial variation in D. melanogaster and highlight the need for additional sampling of the microbiomes in natural populations along environmental gradients.

Experimental evolution has a long history of uncovering fundamental insights into evolutionary processes but has largely neglected one underappreciated component--the microbiome. As eukaryotic hosts evolve, the microbiome may also evolve in response. However, the microbial contribution to host evolution remains poorly understood. Here, we analyzed the metagenomes from 10 E&R experiments in Drosophila melanogaster to determine how the microbiome changes in response to host selection. Bacterial diversity was significantly different in 5/10 studies in traits associated with metabolism or immunity. Additionally, we find that excluding reads from a facultative symbiont, Wolbachia, in the analysis of bacterial diversity changes the inference, raising important questions for future E&R experiments in D. melanogaster. Our results suggest the microbiome often responds to host selection but highlights the need for more work to understand how the microbiome changes the host response to selection.