Abstract In a fast-changing world, understanding how organisms adapt to their environment is a pressing necessity. Research has focused on genetic adaptation, while our understanding of non-genetic modes is still in its infancy. Particularly, the host-associated microbiome may strongly influence an organism’s ability to cope with its environment. The presence of certain microbes in the gut, for example, can facilitate the utilization of dietary resources, provide protection from pathogens, and increase resilience to diverse abiotic conditions. However, the role that the microbiome may play in species’ adaptation to novel challenges is largely unexplored, experimentally as well as theoretically. Here, we study the possibility of such adaptation in invasive species. We present and explore a new hypothesis: Invasive species may rapidly adapt to local conditions by adopting beneficial microbes of similar co-occurring native species. Ironically, due to competition, these native species are also those most likely to suffer from the invaders’ spread. We formulate a mathematical framework to investigate how the transfer of beneficial microbes between a native and an introduced species can alter their competitive dynamics. We suggest that, non-intuitively, the presence of a related native species may facilitate the success of an invasive species’ establishment. This occurs when the invader’s fitness is strongly influenced by adaptation to local conditions that is provided by microbes acquired from the natives’ microbiomes. Further, we show that in such cases a delayed acquisition of native microbes may explain the occurrence of an invasion lag, and we discuss biological systems that could lend themselves for the testing of our hypotheses. Overall, our results contribute to broadening the conceptualization of rapid adaptation via microbiome transfer and offer possible insights for designing early intervention strategies for invasive species management during their lag phase.

Abstract Empirical observations and mathematical models show that climate warming can lead to the northern (or, more generally, poleward) spread of host species ranges and their corresponding diseases. Here, we explore an unexpected possibility whereby climate warming induces disease spread in the opposite direction to the directional shift in the host species range. To test our hypothesis, we formulate a reaction-diffusion equation model with a Susceptible-Infected (SI) epidemiological structure for two host species, both susceptible to a disease, but spatially isolated due to distinct thermal niches, and where prior to climate warming the disease is endemic in the northern species only. Previous theoretical results show that species’ distributions can lag behind species’ thermal niches when climate warming occurs. As such, we find that climate warming, by shifting both species’ niches forward, may increase the overlap between northern and southern host species ranges, due to the northern species lagging behind its thermal tolerance limit, thus facilitating a southern disease spread. As our model is general, our findings may apply to viral, bacterial, and prion diseases that do not have thermal tolerance limits and are inextricably linked to their hosts’ distributions, such as the spread of rabies from arctic to red foxes.

Abstract The evolution of mutualism between host and symbiont communities plays an essential role in maintaining ecosystem function and should therefore have a pro-found effect on their range expansion dynamics. In particular, the presence of mutualistic symbionts at the leading edge of a host-symbiont community should enhance its propagation in space. We develop a theoretical framework that captures the eco-evolutionary dynamics of host-symbiont communities, to investigate how the evolution of resource exchange may shape community structure during range expansion. We consider a community with symbionts that are mutualistic or parasitic to various degrees, where parasitic symbionts receive the same amount of resource from the host as mutualistic symbionts, but at lower cost. The selective advantage of parasitic symbionts over mutualistic ones is strengthened with resource availability (i.e. with host density), promoting mutualism at the range edges, where host density is low, and parasitism in the population core, where host density is higher. This spatial selection also influences the speed of spread. We find that the host growth rate (which depends on the average benefit provided by the symbionts) is maximal at the range edges, where symbionts are more mutualistic, and that host-symbiont communities with high symbiont density at their core (e.g. resulting from more mutualistic hosts) spread faster into new territories. These results indicate that the expansion of host-symbiont communities is pulled by the hosts but pushed by the symbionts, in a unique push-pull dynamic where both the host and symbionts are active and tightly-linked players.

Abstract Host-symbiont communities present a unique interaction structure, in which host-symbiont interdependent fitness and the possible formation of novel host-symbiont associations can give rise to a broad range of dynamics. Understanding mechanisms that can facilitate or prevent invasion in these communities, there-fore, requires to embrace a community perspective that accounts for host-host, symbiont-symbiont and host-symbiont interactions. Empirical work has shown that the formation of novel host-symbiont associations between native and invasive species can lead to multiple outcomes affecting invasion success, such as increased fitness of introduced hosts or symbionts, or decreased fitness of natives. Here, we present a unifying theoretical framework to contextualize these individual scenarios and investigate their significance at the community level, along a continuum ranging from mutualistic to parasitic host-symbiont interactions. We discuss interesting scenarios emerging from our analysis and multiple pathways through which host-symbiont interactions can facilitate or prevent host invasion, symbiont invasion, and the invasion of both hosts and their co-introduced symbionts. Our framework provides a new, mechanistic, cohesive, and intuition-enhancing tool for theoretically exploring the ways in which the subtleties of the relationships between hosts and symbionts affect invasion dynamics.

Abstract Avoiding physical contact is regarded as one of the safest and most advisable strategies to follow to reduce pathogen spread. The flip side of this approach is that a lack of social interactions may negatively affect other dimensions of health, like induction of immunosuppressive anxiety and depression or preventing interactions of importance with a diversity of microbes, which may be necessary to train our immune system or to maintain its normal levels of activity. These may in turn negatively affect a population’s susceptibility to infection and the incidence of severe disease. We suggest that future pandemic modelling may benefit from relying on ‘SIR+ models’: epidemiological models extended to account for the benefits of social interactions that affect immune resilience. We develop an SIR+ model and discuss which specific interventions may be more effective in balancing the trade-off between minimizing pathogen spread and maximizing other interaction-dependent health benefits. Our SIR+ model reflects the idea that health is not just the mere absence of disease, but rather a state of physical, mental and social well-being that can also be dependent on the same social connections that allow pathogen spread, and the modelling of public health interventions for future pandemics should account for this multidimensionality.

In a fast-changing world, understanding how organisms adapt to their environment is a pressing necessity. Research has focused on genetic adaptation, while our understanding of non-genetic modes is still in its infancy. The host-associated microbiome can be considered a non-genetic mode of adaptation, which can strongly influence an organism’s ability to cope with its environment. However, the role of the microbiome in host ecological dynamics is largely unexplored, particularly in animal communities. Here, we discuss the following hypothesis: invasive species may rapidly adapt to local conditions by adopting beneficial microbes from similar co-occurring native species. This occurs when the invader’s fitness is influenced by adaptation to local conditions that is facilitated by microbes acquired from native microbiomes. We present a minimal mathematical model to explore this hypothesis and show that a delayed acquisition of native microbes may explain the occurrence of an invasion lag. Overall, our results contribute to broadening the conceptualization of rapid adaptation via microbiome transfer and offer insights towards designing early intervention strategies for invasive species management.