Abstract A key innovation emerging in complex animals is irreversible somatic differentiation: daughters of a vegetative cell perform a vegetative function as well, thus, forming a somatic lineage that can no longer be directly involved in reproduction. Primitive species use a different strategy: vegetative and reproductive tasks are separated in time rather than in space. Starting from such a strategy, how is it possible to evolve life forms which use some of their cells exclusively for vegetative functions? Here, we developed an evolutionary model of development of a simple multicellular organism and found that three components are necessary for the evolution of irreversible somatic differentiation: (i) costly cell differentiation, (ii) vegetative cells that significantly improve the organism’s performance even if present in small numbers, and (iii) large enough organism size. Our findings demonstrate how an egalitarian development typical for loose cell colonies can evolve into germ-soma differentiation dominating metazoans.

Abstract Multicellular organisms can potentially show a large degree of diversity in reproductive strategies, as they could reproduce offspring with varying sizes and compositions compared to their unicellular ancestors. In reality, only a few of these reproductive strategies are prevalent. To understand why this could be the case, we develop a stage-structured population model to probe the evolutionary growth advantages of reproductive strategies in incipient multicellular organisms. The performance of reproductive strategies is evaluated by the growth rates of corresponding populations. We identify the optimal reproductive strategy, which leads to the largest growth rate for a population. Considering the effects of organism size and cellular interaction, we found that distinct reproductive strategies could perform uniquely or equally well under different conditions. Only binary-splitting reproductive strategies can be uniquely optimal. Our results show that organism size and cellular interaction can play crucial roles in shaping reproductive strategies in nascent multicellularity. Our model sheds light on understanding the mechanism driving the evolution of reproductive strategies in incipient multicellularity. Meanwhile, beyond multicellularity, our results imply a crucial factor in the evolution of reproductive strategies of unicellular species - organism size.

Abstract Most eukaryotic genes are expressed in multiple RNA isoforms representing variants of the respective genes. Full-length RNA sequencing techniques have uncovered an extreme diversity of RNA isoforms, but a subset of them might be generated by noise in the splicing machinery. For some genes, it has been shown that environmental influences can lead to isoform switching, implying that isoform diversity could also be subject to plastic changes in response to environmental conditions. Further, it has been suggested that isoform diversity could be a basis for adaptive evolutionary novelty. However, explicit tests of all three of these assumptions are missing. To address these questions, we have analyzed here the variation of full-length brain RNA transcripts from natural populations and subspecies of Mus musculus , as well as the outgroup species Mus spretus and Mus spicilegus . We find a substantial influence of splicing noise in generating rare isoform variants. However, after filtering these out, we reliably identify more than 117,000 distinct isoforms in the dataset, about doubling the number of the currently annotated set. Comparisons with individuals raised under different environmental conditions show a very strong plasticity effect in shaping isoform expression, including major isoform switching in proteins that bind to splice site enhancers. Using site frequency spectra tests in comparison to SNP data from the same individuals, we find no evidence for lineage-specific isoforms to become frequently fixed. We conclude that lineage-specific isoforms do not contribute much to novel adaptations, either because they are generated mainly through noise in the splicing machinery or are subject to negative selection. However, isoform diversity is strongly shaped by environmental conditions, both for lineage-specific isoforms, as well as conserved ones. Therefore, the functional role of isoform diversity may mostly be related to trigger plastic responses to environmental changes.

Evolution of complex multicellular life begun from the emergence of life cycle involving formation of cell clusters. Opportunity for cells to interact within clusters provided them an advantage over unicellular life forms. However, what kind of interactions may lead to the evolution of multicellular life cycles? Here, we combine evolutionary game theory with a model for the emergence of multicellular groups to investigate how cell interactions can influence reproduction modes during the early stages of the evolution of multicellularity. We identify evolutionary optimal life cycles as those which maximize the population growth rate. Among all interactions captured by two-player games, only eight life cycles were found to be evolutionarily optimal. Moreover, the vast majority of games promotes either of two classes of life cycles: (i) splitting into unicellular propagules or (ii) fragmentation into two offspring clusters of equal (or almost equal) size. Our findings indicate that the three most important characteristics, determining whether multicellular life cycles will evolve, are average performance of homogeneous groups, heterogeneous groups, and solitary cells.

The specialization of cells is a hallmark of complex multicellularity. Cell differentiation enables the emergence of specialized cell types that carry out separate functions previously executed by a multifunctional ancestor cell. One view is that initial cell differentiation occurred randomly, especially for genetically identical cells, exposed to the same life history environment. How such a change in differentiation probabilities can affect the evolution of differentiation patterns is still unclear. We develop a theoretical model to investigate the effect of stage-dependent cell differentiation -- cells change their developmental trajectories during a single round of development via cell divisions -- on the evolution of optimal differentiation patterns. We found that irreversible differentiation -- a cell type gradually losing its differentiation capability to produce other cell types -- is more favored under stage-dependent than stage-independent cell differentiation in relatively small organisms with limited differentiation probability variations. Furthermore, we discovered that irreversible differentiation of germ cells, which is the gradual loss of germ cells' ability to differentiate, is a prominent pattern among irreversible differentiation patterns under stage-dependent cell differentiation. In addition, large variations in differentiation probabilities prohibit irreversible differentiation from being the optimal differentiation pattern.