Gut bacteria can affect key aspects of host fitness, such as development, fecundity, and lifespan, while the host, in turn, shapes the gut microbiome. However, it is unclear to what extent individual species versus community interactions within the microbiome are linked to host fitness. Here, we combinatorially dissect the natural microbiome of Drosophila melanogaster and reveal that interactions between bacteria shape host fitness through life history tradeoffs. Empirically, we made germ-free flies colonized with each possible combination of the five core species of fly gut bacteria. We measured the resulting bacterial community abundances and fly fitness traits, including development, reproduction, and lifespan. The fly gut promoted bacterial diversity, which, in turn, accelerated development, reproduction, and aging: Flies that reproduced more died sooner. From these measurements, we calculated the impact of bacterial interactions on fly fitness by adapting the mathematics of genetic epistasis to the microbiome. Development and fecundity converged with higher diversity, suggesting minimal dependence on interactions. However, host lifespan and microbiome abundances were highly dependent on interactions between bacterial species. Higher-order interactions (involving three, four, and five species) occurred in 13-44% of possible cases depending on the trait, with the same interactions affecting multiple traits, a reflection of the life history tradeoff. Overall, we found these interactions were frequently context-dependent and often had the same magnitude as individual species themselves, indicating that the interactions can be as important as the individual species in gut microbiomes.

Summary

 To maintain a symbiotic relationship between the host and its resident intestinal microbiota, appropriate mucosal T cell responses to commensal antigens must be established. Mice acquire both IgG and IgA maternally; the former has primarily been implicated in passive immunity to pathogens while the latter mediates host-commensal mutualism. Here, we report the surprising observation that mice generate T cell-independent and largely Toll-like receptor (TLR)-dependent IgG2b and IgG3 antibody responses against their gut microbiota. We demonstrate that maternal acquisition of these antibodies dampens mucosal T follicular helper responses and subsequent germinal center B cell responses following birth. This work reveals a feedback loop whereby T cell-independent, TLR-dependent antibodies limit mucosal adaptive immune responses to newly acquired commensal antigens and uncovers a broader function for maternal IgG.

Abstract The intestines of animals are typically colonized by a complex, relatively stable microbiota that influences health and fitness, but the underlying mechanisms of colonization remain poorly understood. As a typical animal, the fruit fly, Drosophila melanogaster, is associated with a consistent set of commensal bacterial species, yet the reason for this consistency is unknown. Here, we use gnotobiotic flies, microscopy, and microbial pulse-chase protocols to show that a commensal niche exists within the proventriculus region of the Drosophila foregut that selectively binds bacteria with exquisite strain-level specificity. Primary colonizers saturate the niche and exclude secondary colonizers of the same strain, but initial colonization by Lactobacillus physically remodels the niche to favor secondary colonization by Acetobacter . Our results provide a mechanistic framework for understanding the establishment and stability of an intestinal microbiome. One-Sentence Summary A strain-specific set of bacteria inhabits a defined spatial region of the Drosophila gut that forms a commensal niche.

A longstanding goal of biology is to identify the key genes and species that critically impact evolution, ecology, and health. Yet biological interactions between genes ( 1, 2 ), species ( 3–6 ), and different environmental contexts ( 7–9 ) change the individual effects due to non-additive interactions, known as epistasis. In the fitness landscape concept, each gene/organism/environment is modeled as a separate biological dimension ( 10 ), yielding a high dimensional landscape, with epistasis adding local peaks and valleys to the landscape. Massive efforts have defined dense epistasis networks on a genome-wide scale ( 2 ), but these have mostly been limited to pairwise, or two-dimensional, interactions ( 11 ). Here we develop a new mathematical formalism that allows us to quantify interactions at high dimensionality in genetics and the microbiome. We then generate and also reanalyze combinatorically complete datasets (two genetic, two microbiome). In higher dimensions, we find that key genes (e.g. pykF ) and species (e.g. Lactobacillus plantarum ) distort the fitness landscape, changing the interactions for many other genes/species. These distortions can fracture a “smooth” landscape with one optimal fitness peak into a landscape with many local optima, regulating evolutionary or ecological diversification ( 12 ), which may explain how a probiotic bacterium can stabilize the gut microbiome.

Lactobacilli and acetobacters are commercially important bacteria that often form communities in natural fermentations, including food preparations, spoilage, and in the digestive tract of Drosophila melanogaster fruit flies. Communities of these bacteria are widespread and prolific, despite numerous strain-specific auxotrophies, suggesting they have evolved nutrient interdependencies that regulate their growths. The use of a chemically-defined medium (CDM) supporting the growth of both groups of bacteria would greatly facilitate identification of the precise metabolic interactions between these two groups of bacteria. While numerous such media have been developed that support specific strains of lactobacilli and acetobacters, there has not been a medium formulated to support both genera. We developed such a medium, based on a previous Lactobacillus CDM, by modifying the nutrient abundances to improve growth of both groups of bacteria. We further simplified the medium by substituting casamino acids for individual amino acids and the standard Wolfe's vitamins and mineral stocks for individual vitamins and minerals, resulting in a reduction from 40 to 8 stock solutions. The new CDM and variations of it support robust growth of lactobacilli and acetobacters. We provide the composition and an example of its use to measure nutritional interactions.

Cell- and tissue-level processes often occur across days or weeks, but few imaging methods can capture such long timescales. Here we describe Bellymount, a simple, non-invasive method for longitudinal imaging of the Drosophila abdomen at sub-cellular resolution. Bellymounted flies remain live and intact, so the same individual can be imaged serially to yield vivid time series of multi-day processes. This feature opens the door to longitudinal studies of Drosophila internal organs in their native context. Exploiting Bellymount’s capabilities, we track intestinal stem cell lineages and gut microbial colonization in single flies, revealing spatiotemporal dynamics undetectable by previously available methods.

Abstract Animals throughout the metazoa selectively acquire specific symbiotic gut bacteria from their environment that aid host fitness. Current models of colonization suggest these bacteria use weakly specific receptors to stick to host tissues and that colonization results when they stick in a region of the host gut that overlaps with their nutritional niche. An alternative model is that unique receptor-ligand binding interactions provide specificity for target niches. Here we use live imaging of individual symbiotic bacterial cells colonizing the gut of living Drosophila melanogaster to show that Lactiplantibacillus plantarum specifically recognizes a distinct physical niche in the host gut. We find that recognition is controlled by a colonization island that is widely conserved in commensals and pathogens from the Lactobacillales to the Clostridia. Our findings indicate a genetic mechanism of host specificity that is broadly conserved. One-Sentence Summary Host-symbiont specificity is encoded by a conserved colonization island that provides molecular precision to host niche access.

Abstract Despite decades of investigation into how antibiotics affect isolated bacteria, it remains highly challenging to predict consequences for communities in complex environments such as the human intestine. Interspecies interactions can impact antibiotic activity through alterations to the extracellular environment that change bacterial physiology. By measuring key metabolites and environmental pH, we determined that metabolic cross-feeding among members of the fruit fly gut microbiota drives changes in antibiotic sensitivity in vitro . Co-culturing of Lactobacillus plantarum with Acetobacter species induced tolerance to rifampin. Mechanistically, we found that acetobacters counter the acidification driven by L. plantarum production of lactate, and that pH shifts during stationary phase were sufficient to drive rifampin tolerance in L. plantarum monocultures. The key Lactobacillus physiological parameter related to tolerance was a reduction in lag time exiting stationary phase, opposite to a previously identified mode of tolerance to ampicillin in E. coli. Lactobacillus tolerance to erythromycin also depended on growth status and pH, suggesting that our findings generalize to other antibiotics. Finally, tolerance of L. plantarum to rifampin varied spatially across the fruit fly gut. This mechanistic understanding of the coupling among interspecies interactions, environmental pH, and antibiotic tolerance enables future predictions of growth and the effects of antibiotics in more complex communities and within hosts.

Abstract Observational studies reveal substantial variability in microbiome composition across individuals. While some of this variability can be explained by external factors like environmental, dietary, and genetic differences between individuals, in this paper we show that for the model organism Drosophila melanogaster the process of microbiome assembly is inherently stochastic and contributes a baseline level of microbiome variability even among organisms that are identically reared, housed, and fed. In germ-free flies fed known combinations of bacterial species, we find that some species colonize more frequently than others even when fed at the same high concentration. We develop a new ecological technique that infers the presence of interactions between bacterial species based on their colonization odds in different contexts, requiring only presence/absence data from two-species experiments. We use a progressive sequence of probabilistic models, in which the colonization of each bacterial species is treated as an independent stochastic process, to reproduce the empirical distributions of colonization outcomes across experiments. We find that incorporating context-dependent interactions substantially improves the performance of the models. Stochastic, context-dependent microbiome assembly underlies clinical therapies like fecal microbiota transplantation and probiotic administration, and should inform the design of synthetic fecal transplants and dosing regimes. Significance Statement Individuals are constantly exposed to microbial organisms that may or may not colonize their gut microbiome, and newborn individuals assemble their microbiomes through a number of these acquisition events. Since microbiome composition has been shown to influence host physiology, a mechanistic understanding of community assembly has potentially therapeutic applications. In this paper we study microbiome acquisition in a highly-controlled setting using germ-free fruit flies inoculated with specific bacterial species at known abundances. Our approach revealed that acquisition events are stochastic, and the colonization odds of different species in different contexts encode ecological information about interactions. These findings have consequences for microbiome-based therapies like fecal microbiota transplantation that attempt to modify a person’s gut microbiome by deliberately introducing foreign microbes.

The microbiome can modulate the interaction between animals and their environment. In particular, intestinal microbes play a strong role in shaping how animals respond to their diets, and especially dietary toxins. In this study, we investigated how the microbiome affects the interaction between the fruit fly Drosophila melanogaster and ingested ethanol. D. melanogaster naturally feeds on fermenting fruits and therefore commonly ingests ethanol. This dietary ethanol is generally considered to be a toxin, but its effect on adult fly fitness has yet to be shown. We found that the reproductive output of bacterially-colonized flies remains high with low amounts of dietary ethanol, while that of bacteria-free flies decreases precipitously after ethanol ingestion. This shows that bacteria protect D. melanogaster from the damaging effects of ingested ethanol, which has important implications for fitness under natural conditions. We also observed that bacterial colonization and ethanol both negatively affect fly lifespan. In particular, bacteria play a dominant role on fly lifespan and therefore the negative effects of ethanol are only observed in bacteria-free flies. We next asked how the bacterial microbiota changes in response to dietary ethanol. Contrary to our expectations, we found that total bacterial abundance stays relatively constant with increasing ethanol. In vivo survival of bacteria was well above the in vitro toxic dose of ethanol, demonstrating that the host is shielding the microbiome from the negative effects of ethanol. Next, we investigated several aspects of host physiology that may underlie bacterially-modulated fitness changes. We found that regardless of bacterial colonization, ethanol ingestion decreases the prevalence of intestinal barrier failure and increases fly body fat content, suggesting these mechanisms are not directly responsible for bacteria-dependent fitness differences. Finally, measurements of dietary ethanol content suggest that bacterial metabolism can only partially explain the observed fitness effects. Overall, we found significant bacteria-by-ethanol interactions on D. melanogaster and that bacteria ameliorate the negative effects of ethanol on host fecundity. Because of the central role of ethanol in the ecology of D. melanogaster, these results have important implications for our understanding of fruit fly natural history. More generally, they underscore the importance of the microbiome in shaping an animal's interaction with its environment.