Abstract Bacterial-fungal interactions influence microbial community performance of most ecosystems and elicit specific microbial behaviours, including stimulating specialised metabolite production. Here, we use a co-culture experimental evolution approach to investigate bacterial adaptation to the presence of a fungus, using a simple model of bacterial-fungal interactions encompassing the bacterium Bacillus subtilis and the fungus Aspergillus niger . We find in one evolving population that B. subtilis was selected for enhanced production of the lipopeptide surfactin and accelerated surface spreading ability, leading to inhibition of fungal expansion and acidification of the environment. These phenotypes were explained by specific mutations in the DegS-DegU two-component system. In the presence of surfactin, fungal hyphae exhibited bulging cells with delocalised secretory vesicles possibly provoking an RlmA-dependent cell wall stress. Thus, our results indicate that the presence of the fungus selects for increased surfactin production, which inhibits fungal growth and facilitates the competitive success of the bacterium.

Abstract Bacterial-fungal interactions (BFIs) influence microbial community performance of most ecosystems and elicit specific microbial behaviours, including stimulating specialised metabolite production. Using a simple BFI system encompassing the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis and the black mould fungus Aspergillus niger , we established a co-culture experimental evolution method to investigate bacterial adaptation to the presence of a fungus. In the evolving populations, B. subtilis was rapidly selected for enhanced production of the lipopeptide surfactin and accelerated surface spreading ability, leading to inhibition of fungal expansion and acidification of the environment. These phenotypes were explained by specific mutations in the DegS-DegU two-component system. In the presence of surfactin, fungal hyphae exhibited bulging cells with delocalised secretory vesicles and RlmA-dependent cell wall stress induction. Increased surfactin production typically enhances the competitive success of bacteria against fungi, which likely explains the primary adaption path in the presence of A. niger . Significance statement Experimental evolution and co-cultivation of different microbes are important and useful techniques for discovering new traits and unravelling cryptic regulatory connections. We combined these methods by evolving the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis in the presence of the black mould fungus Aspergillus niger that were previously shown to engage in an intricate and physical interaction. Both are ubiquitous, environmentally and industrially relevant model microbes in the colonisation of rhizo- and endosphere and in the production of enzymes. Our results demonstrate how laboratory adaptation can be exploited to improve biocontrol properties of bacteria.

Bacteria interact with their environment including microbes and higher eukaryotes. The ability of bacteria and fungi to affect each other are defined by various chemical, physical and biological factors. During physical association, bacterial cells can directly attach and settle on the hyphae of various fungal species. Such colonization of mycelia was proposed to be dependent on biofilm formation by the bacteria, but the essentiality of the biofilm matrix was not represented before. Here, we demonstrate that secreted biofilm matrix components of the soil-dwelling bacterium, Bacillus subtilis are essential for the establishment of a dense bacterial population on the hyphae of the filamentous black mold fungus, Aspergillus niger and the basidiomycete mushroom, Agaricus bisporus . We further illustrate that these matrix components can be shared among various mutants highlighting the community shaping impact of biofilm formers on bacteria-fungi interactions.

Selection for a certain trait in microbes depends on the genetic background of the strain and the selection pressure of the environmental conditions acting on the cells. In contrast to the sessile state in the biofilm, various bacterial cells employ flagellum-dependent motility under planktonic conditions suggesting that the two phenotypes are mutually exclusive. However, flagellum dependent motility facilitates the prompt establishment of floating biofilms on the air-medium interface, called pellicles. Previously, pellicles of B. subtilis were shown to be preferably established by motile cells, causing a reduced fitness of non-motile derivatives in the presence of the wild type strain. Here, we show that lack of fully assembled flagella promotes the evolution of matrix overproducers that can be distinguished by the characteristic wrinkled colony morphotype. The wrinkly phenotype is associated with amino acid substitutions in the master repressor of biofilm-related genes, SinR. By analyzing one of the mutations, we show that it alters the tetramerization and DNA binding properties of SinR, allowing an increased expression of the operon responsible for exopolysaccharide production. Finally, we demonstrate that the wrinkly phenotype is advantageous when cells lack flagella, but not in the wild type background.