The outcomes of evolution are determined by a stochastic dynamical process that governs how mutations arise and spread through a population. However, it is difficult to observe these dynamics directly over long periods and across entire genomes. Here we analyse the dynamics of molecular evolution in twelve experimental populations of Escherichia coli, using whole-genome metagenomic sequencing at five hundred-generation intervals through sixty thousand generations. Although the rate of fitness gain declines over time, molecular evolution is characterized by signatures of rapid adaptation throughout the duration of the experiment, with multiple beneficial variants simultaneously competing for dominance in each population. Interactions between ecological and evolutionary processes play an important role, as long-term quasi-stable coexistence arises spontaneously in most populations, and evolution continues within each clade. We also present evidence that the targets of natural selection change over time, as epistasis and historical contingency alter the strength of selection on different genes. Together, these results show that long-term adaptation to a constant environment can be a more complex and dynamic process than is often assumed. Using data from sixty thousand generations of the E. coli long-term evolution experiment, the authors shed new light on the processes that govern molecular evolution. The Escherichia coli long-term evolution experiment (LTEE) is the longest running bacterial evolution experiment, including 12 replicate populations of E. coli serially propagated for more than 60,000 generations. Michael Desai, Richard Lenski and colleagues now report whole-genome sequencing at 500-generation intervals over the course of the 60,000 generations from the LTEE. Their analyses reveal a complex and dynamic evolutionary process of long-term bacterial adaptation in this controlled environment, and include findings on clonal inference, genetic drift and shifting targets of selection.

Whole-genome sequencing has become an indispensible tool of modern biology. However, the cost of sample preparation relative to the cost of sequencing remains high, especially for small genomes where the former is dominant. Here we present a protocol for rapid and inexpensive preparation of hundreds of multiplexed genomic libraries for Illumina sequencing. By carrying out the Nextera tagmentation reaction in small volumes, replacing costly reagents with cheaper equivalents, and omitting unnecessary steps, we achieve a cost of library preparation of $8 per sample, approximately 6 times cheaper than the standard Nextera XT protocol. Furthermore, our procedure takes less than 5 hours for 96 samples. Several hundred samples can then be pooled on the same HiSeq lane via custom barcodes. Our method will be useful for re-sequencing of microbial or viral genomes, including those from evolution experiments, genetic screens, and environmental samples, as well as for other sequencing applications including large amplicon, open chromosome, artificial chromosomes, and RNA sequencing.

The dynamics of adaptation determine which mutations fix in a population, and hence how reproducible evolution will be. This is central to understanding the spectra of mutations recovered in the evolution of antibiotic resistance, the response of pathogens to immune selection, and the dynamics of cancer progression. In laboratory evolution experiments, demonstrably beneficial mutations are found repeatedly, but are often accompanied by other mutations with no obvious benefit. Here we use whole-genome whole-population sequencing to examine the dynamics of genome sequence evolution at high temporal resolution in 40 replicate Saccharomyces cerevisiae populations growing in rich medium for 1,000 generations. We find pervasive genetic hitchhiking: multiple mutations arise and move synchronously through the population as mutational 'cohorts'. Multiple clonal cohorts are often present simultaneously, competing with each other in the same population. Our results show that patterns of sequence evolution are driven by a balance between these chance effects of hitchhiking and interference, which increase stochastic variation in evolutionary outcomes, and the deterministic action of selection on individual mutations, which favours parallel evolutionary solutions in replicate populations.

Abstract When beneficial mutations are rare, they accumulate by a series of selective sweeps. But when they are common, many beneficial mutations will occur before any can fix, so there will be many different mutant lineages in the population concurrently. In an asexual population, these different mutant lineages interfere and not all can fix simultaneously. In addition, further beneficial mutations can accumulate in mutant lineages while these are still a minority of the population. In this article, we analyze the dynamics of such multiple mutations and the interplay between multiple mutations and interference between clones. These result in substantial variation in fitness accumulating within a single asexual population. The amount of variation is determined by a balance between selection, which destroys variation, and beneficial mutations, which create more. The behavior depends in a subtle way on the population parameters: the population size, the beneficial mutation rate, and the distribution of the fitness increments of the potential beneficial mutations. The mutation–selection balance leads to a continually evolving population with a steady-state fitness variation. This variation increases logarithmically with both population size and mutation rate and sets the rate at which the population accumulates beneficial mutations, which thus also grows only logarithmically with population size and mutation rate. These results imply that mutator phenotypes are less effective in larger asexual populations. They also have consequences for the advantages (or disadvantages) of sex via the Fisher–Muller effect; these are discussed briefly.

Clouding evolution's crystal ball Because of a sort of mutation buffering process, different starting mutations can tend to end up with similar overall affects on an organism's fitness. Kryazhimskiy et al. evolved lines of yeast, each originating from distinct single genotypes, under the same selective regimen. A subset of clones from these adapted populations was subjected to fitness assays and sequenced. Populations with lower initial fitness, adapted more rapidly than populations with higher initial fitness, so that in the end the fitness levels were similar. Science , this issue p. 1519

The experimental evolution of laboratory populations of microbes provides an opportunity to observe the evolutionary dynamics of adaptation in real time. Until very recently, however, such studies have been limited by our inability to systematically find mutations in evolved organisms. We overcome this limitation by using a variety of DNA microarray-based techniques to characterize genetic changes—including point mutations, structural changes, and insertion variation—that resulted from the experimental adaptation of 24 haploid and diploid cultures of Saccharomyces cerevisiae to growth in either glucose, sulfate, or phosphate-limited chemostats for ∼200 generations. We identified frequent genomic amplifications and rearrangements as well as novel retrotransposition events associated with adaptation. Global nucleotide variation detection in ten clonal isolates identified 32 point mutations. On the basis of mutation frequencies, we infer that these mutations and the subsequent dynamics of adaptation are determined by the batch phase of growth prior to initiation of the continuous phase in the chemostat. We relate these genotypic changes to phenotypic outcomes, namely global patterns of gene expression, and to increases in fitness by 5–50%. We found that the spectrum of available mutations in glucose- or phosphate-limited environments combined with the batch phase population dynamics early in our experiments allowed several distinct genotypic and phenotypic evolutionary pathways in response to these nutrient limitations. By contrast, sulfate-limited populations were much more constrained in both genotypic and phenotypic outcomes. Thus, the reproducibility of evolution varies with specific selective pressures, reflecting the constraints inherent in the system-level organization of metabolic processes in the cell. We were able to relate some of the observed adaptive mutations (e.g., transporter gene amplifications) to known features of the relevant metabolic pathways, but many of the mutations pointed to genes not previously associated with the relevant physiology. Thus, in addition to answering basic mechanistic questions about evolutionary mechanisms, our work suggests that experimental evolution can also shed light on the function and regulation of individual metabolic pathways.

In a comparison between replicate sexual and asexual populations of Saccharomyces cerevisiae, sexual reproduction increases fitness by reducing clonal interference and alters the type of mutations that get fixed by natural selection. Explaining the prevalence of sexual reproduction despite its costly nature is a famously long-standing question in evolutionary biology. Theory and some experimental studies suggest various mechanisms responsible, such as a reduction in clonal interference or the ability to reduce hitchhiking of deleterious mutations. Using the experimental evolution of Saccharomyces cerevisiae as a model system, Michael Desai and colleagues compared the sequence-level dynamics of adaptation in sexual and asexual populations. They find that sexual reproduction increases fitness by reducing clonal interference between beneficial mutations and alters the type of mutations that are fixed by natural selection. The net effect is that that sex speeds adaptation and allows natural selection to more efficiently sort beneficial from deleterious mutations. Sex and recombination are pervasive throughout nature despite their substantial costs1. Understanding the evolutionary forces that maintain these phenomena is a central challenge in biology2,3. One longstanding hypothesis argues that sex is beneficial because recombination speeds adaptation4. Theory has proposed several distinct population genetic mechanisms that could underlie this advantage. For example, sex can promote the fixation of beneficial mutations either by alleviating interference competition (the Fisher–Muller effect)5,6 or by separating them from deleterious load (the ruby in the rubbish effect)7,8. Previous experiments confirm that sex can increase the rate of adaptation9,10,11,12,13,14,15,16,17, but these studies did not observe the evolutionary dynamics that drive this effect at the genomic level. Here we present the first, to our knowledge, comparison between the sequence-level dynamics of adaptation in experimental sexual and asexual Saccharomyces cerevisiae populations, which allows us to identify the specific mechanisms by which sex speeds adaptation. We find that sex alters the molecular signatures of evolution by changing the spectrum of mutations that fix, and confirm theoretical predictions that it does so by alleviating clonal interference. We also show that substantially deleterious mutations hitchhike to fixation in adapting asexual populations. In contrast, recombination prevents such mutations from fixing. Our results demonstrate that sex both speeds adaptation and alters its molecular signature by allowing natural selection to more efficiently sort beneficial from deleterious mutations.

Abstract The Omicron BA.1 variant emerged in late 2021 and quickly spread across the world. Compared to the ancestral Wuhan Hu-1 strain and other pre-Omicron SARS-CoV-2 variants, BA.1 has many mutations, a number of which are known to enable antibody escape 1–3 . Many of these antibody-escape mutations individually decrease the spike receptor-binding domain (RBD) affinity for ACE2 in the background of early SARS-CoV-2 variants 4 , but BA.1 still binds ACE2 with high affinity 5,6 . The fitness and evolution of the BA.1 lineage is therefore driven by the combined effects of numerous mutations. Here, we systematically map the epistatic interactions between the 15 mutations in the RBD of BA.1 relative to the Wuhan Hu-1 strain. Specifically, we measure the ACE2 affinity of all possible combinations of these 15 mutations (2 15 = 32,768 genotypes), spanning all possible evolutionary intermediates from the ancestral Wuhan Hu-1 strain to BA.1. We find that immune escape mutations in BA.1 individually reduce ACE2 affinity but are compensated by epistatic interactions with other affinity-enhancing mutations, including Q498R and N501Y. Thus, the ability of BA.1 to evade immunity while maintaining ACE2 affinity is contingent on acquiring multiple interacting mutations. Our results implicate compensatory epistasis as a key factor driving substantial evolutionary change for SARS-CoV-2 and are consistent with Omicron BA.1 arising from a chronic infection.

Abstract Demographic inference methods in population genetics typically assume that the ancestry of a sample can be modeled by the Kingman coalescent. A defining feature of this stochastic process is that it generates genealogies that are binary trees: no more than two ancestral lineages may coalesce at the same time. However, this assumption breaks down under several scenarios. For example, pervasive natural selection and extreme variation in offspring number can both generate genealogies with “multiple-merger” events in which more than two lineages coalesce instantaneously. Therefore, detecting multiple mergers is important both for understanding which forces have shaped the diversity of a population and for avoiding fitting misspecified models to data. Current methods to detect multiple mergers in genomic data rely on the site frequency spectrum (SFS). However, the signatures of multiple mergers in the SFS are also consistent with a Kingman coalescent with a time-varying population size. Here, we present a new method for detecting multiple mergers based on the pointwise mutual information of the two-site frequency spectrum for pairs of linked sites. Unlike the SFS, the pointwise mutual information depends mostly on the topologies of genealogies rather than on their branch lengths and is therefore largely insensitive to population size change. This statistic is global in the sense that it can detect when the genome-wide genetic diversity is inconsistent with the Kingman coalescent, rather than detecting outlier regions, as in selection scan methods. Finally, we demonstrate a graphical model-checking procedure based on the point-wise mutual information using genomic diversity data from Drosophila melanogaster .

Abstract Epistasis between mutations can make adaptation contingent on evolutionary history. Yet despite widespread “microscopic” epistasis between the mutations involved, microbial evolution experiments show consistent patterns of fitness increase between replicate lines. Recent work shows that this consistency is driven in part by global patterns of diminishing-returns and increasing-costs epistasis, which make mutations systematically less beneficial (or more deleterious) on fitter genetic backgrounds. However, the mechanistic basis of this “global” epistasis remains unknown. Here we show that diminishing-returns and increasing-costs epistasis emerge generically as a consequence of pervasive microscopic epistasis. Our model predicts a specific quantitative relationship between the magnitude of global epistasis and the stochastic effects of microscopic epistasis, which we confirm by re-analyzing existing data. We further show that the distribution of fitness effects takes on a universal form when epistasis is widespread, and introduce a novel fitness landscape model to show how phenotypic evolution can be repeatable despite sequence-level stochasticity.