What makes the gut microbiome stable? Classically, we think of our microbiome as stable, benign, and cooperative. Recent experimental work is beginning to unpick essential functions that can be attributed to the stable microbiota of humans. To be able to manipulate the microbiome to improve health, we need to understand community structure and composition and we need models to quantify and predict stability. Coyte et al. applied concepts and tools from community ecology to gut microbiome assembly. Independently developed models converged on a surprising answer: A high diversity of species is likely to coexist stably when the system is dominated by competitive, rather than cooperative, interactions. Science , this issue p. 663

The human body carries vast communities of microbes that provide many benefits. Our microbiome is complex and challenging to understand, but evolutionary theory provides a universal framework with which to analyse its biology and health impacts. Here we argue that to understand a given microbiome feature, such as colonization resistance, host nutrition or immune development, we must consider how hosts and symbionts evolve. Symbionts commonly evolve to compete within the host ecosystem, while hosts evolve to keep the ecosystem on a leash. We suggest that the health benefits of the microbiome should be understood, and studied, as an interplay between microbial competition and host control. The human microbiome is a tension between microbes evolving to compete within the host ecosystem, and hosts trying to keep them under control. The microbial communities that inhabit the human body provide several benefits to their host, but the evolutionary basis of this complex relationship is unclear. In this Perspective, Kevin Foster and colleagues propose an evolutionary framework for understanding the dynamics of the microbiome. They argue that, in order to understand the microbiome and harness it for health benefits, we need to view the relationship between host and symbiont as one based on microbial competition and host control.

Microbial cells secrete numerous enzymes, scavenging molecules, and signals that can promote the growth and survival of other cells around them [1Little A.E.F. Robinson C.J. Peterson S.B. Raffa K.F. Handelsman J. Rules of engagement: interspecies interactions that regulate microbial communities.Annu. Rev. Microbiol. 2008; 62: 375-401Crossref PubMed Scopus (279) Google Scholar, 2Waters C.M. Bassler B.L. Quorum sensing: cell-to-cell communication in bacteria.Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2005; 21: 319-346Crossref PubMed Scopus (2746) Google Scholar, 3Strassmann J.E. Gilbert O.M. Queller D.C. Kin discrimination and cooperation in microbes.Annu. Rev. Microbiol. 2011; 65: 349-367Crossref PubMed Scopus (141) Google Scholar, 4Elias S. Banin E. Multi-species biofilms: living with friendly neighbors.FEMS Microbiol. Rev. 2012; https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2012.00325.xCrossref PubMed Scopus (456) Google Scholar]. This observation is consistent with the evolution of cooperation within species [5Nadell C.D. Xavier J. Foster K.R. The sociobiology of biofilms.FEMS microbiology reviews. 2009; 33: 206-224Crossref PubMed Scopus (451) Google Scholar], and there is now an increasing emphasis on the importance of cooperation between different microbial species [4Elias S. Banin E. Multi-species biofilms: living with friendly neighbors.FEMS Microbiol. Rev. 2012; https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2012.00325.xCrossref PubMed Scopus (456) Google Scholar, 5Nadell C.D. Xavier J. Foster K.R. The sociobiology of biofilms.FEMS microbiology reviews. 2009; 33: 206-224Crossref PubMed Scopus (451) Google Scholar, 6Wintermute E.H. Silver P.A. Dynamics in the mixed microbial concourse.Genes Dev. 2010; 24: 2603-2614Crossref PubMed Scopus (144) Google Scholar]. We lack, however, a systematic test of the importance of mutually positive interactions between different species, which is vital for assessing the commonness and importance of cooperative evolution in natural communities. Here, we study the extent of mutually positive interaction among bacterial strains isolated from a common aquatic environment. Using data collected from two independent experiments evaluating community productivity across diversity gradients, we show that (1) in pairwise species combinations, the great majority of interactions are net negative and (2) there is no evidence that strong higher-order positive effects arise when more than two species are mixed together. Our data do not exclude the possibility of positive effects in one direction where one species gains at the expense of another, i.e., predator-prey-like interactions. However, these do not constitute cooperation and our analysis suggests that the typical result of adaptation to other microbial species will be competitive, rather than cooperative, phenotypes.

Cooperative phenotypes are considered central to the functioning of microbial communities in many contexts, including communication via quorum sensing, biofilm formation, antibiotic resistance, and pathogenesis. The human intestine houses a dense and diverse microbial community critical to health, yet we know little about cooperation within this important ecosystem. Here we test experimentally for evolved cooperation within the Bacteroidales, the dominant Gram-negative bacteria of the human intestine. We show that during growth on certain dietary polysaccharides, the model member Bacteroides thetaiotaomicron exhibits only limited cooperation. Although this organism digests these polysaccharides extracellularly, mutants lacking this ability are outcompeted. In contrast, we discovered a dedicated cross-feeding enzyme system in the prominent gut symbiont Bacteroides ovatus, which digests polysaccharide at a cost to itself but at a benefit to another species. Using in vitro systems and gnotobiotic mouse colonization models, we find that extracellular digestion of inulin increases the fitness of B. ovatus owing to reciprocal benefits when it feeds other gut species such as Bacteroides vulgatus. This is a rare example of naturally-evolved cooperation between microbial species. Our study reveals both the complexity and importance of cooperative phenotypes within the mammalian intestinal microbiota.

Biofilms, in which cells attach to surfaces and secrete slime (polymeric substances), are central to microbial life. Biofilms are often thought to require high levels of cooperation because extracellular polymeric substances are a shared resource produced by one cell that can be used by others. Here we examine this hypothesis by using a detailed individual-based simulation of a biofilm to investigate the outcome of evolutionary competitions between strains that differ in their level of polymer production. Our model includes a biochemical description of the carbon fluxes for growth and polymer production, and it explicitly calculates diffusion–reaction effects and the resulting solute gradients in the biofilm. An emergent property of these simple but realistic mechanistic assumptions is a strong evolutionary advantage to extracellular polymer production. Polymer secretion is altruistic to cells above a focal cell: it pushes later generations in their lineage up and out into better oxygen conditions, but it harms others; polymer production suffocates neighboring nonpolymer producers. This property, analogous to vertical growth in plants, suggests that polymer secretion provides a strong competitive advantage to cell lineages within mixed-genotype biofilms: global cooperation is not required. Our model fundamentally changes how biofilms are expected to respond to changing social conditions; the presence of multiple strains in a biofilm should promote rather than inhibit polymer secretion.

The budding yeast, Saccharomyces cerevisiae, has emerged as an archetype of eukaryotic cell biology. Here we show that S. cerevisiae is also a model for the evolution of cooperative behavior by revisiting flocculation, a self-adherence phenotype lacking in most laboratory strains. Expression of the gene FLO1 in the laboratory strain S288C restores flocculation, an altered physiological state, reminiscent of bacterial biofilms. Flocculation protects the FLO1 expressing cells from multiple stresses, including antimicrobials and ethanol. Furthermore, FLO1+ cells avoid exploitation by nonexpressing flo1 cells by self/non-self recognition: FLO1+ cells preferentially stick to one another, regardless of genetic relatedness across the rest of the genome. Flocculation, therefore, is driven by one of a few known “green beard genes,” which direct cooperation toward other carriers of the same gene. Moreover, FLO1 is highly variable among strains both in expression and in sequence, suggesting that flocculation in S. cerevisiae is a dynamic, rapidly evolving social trait.

Kin selection theory, also known as inclusive fitness theory, has been the subject of much debate and misunderstanding. Nevertheless, the idea that relatedness among individuals can drive the evolution of altruism has emerged as a central paradigm in evolutionary biology. Or has it? In two recent articles, E.O. Wilson argues that kin selection should no longer be considered the main explanation for the evolution of altruism in insect societies. Here, we discuss what these articles say about kin selection and how it relates to the theory. We conclude that kin selection remains the key explanation for the evolution of altruism in eusocial insects.

Bacteria have fascinating and diverse social lives. They display coordinated group behaviors regulated by quorum-sensing systems that detect the density of other bacteria around them. A key example of such group behavior is biofilm formation, in which communities of cells attach to a surface and envelope themselves in secreted polymers. Curiously, after reaching high cell density, some bacterial species activate polymer secretion, whereas others terminate polymer secretion. Here, we investigate this striking variation in the first evolutionary model of quorum sensing in biofilms. We use detailed individual-based simulations to investigate evolutionary competitions between strains that differ in their polymer production and quorum-sensing phenotypes. The benefit of activating polymer secretion at high cell density is relatively straightforward: secretion starts upon biofilm formation, allowing strains to push their lineages into nutrient-rich areas and suffocate neighboring cells. But why use quorum sensing to terminate polymer secretion at high cell density? We find that deactivating polymer production in biofilms can yield an advantage by redirecting resources into growth, but that this advantage occurs only in a limited time window. We predict, therefore, that down-regulation of polymer secretion at high cell density will evolve when it can coincide with dispersal events, but it will be disfavored in long-lived (chronic) biofilms with sustained competition among strains. Our model suggests that the observed variation in quorum-sensing behavior can be linked to the differing requirements of bacteria in chronic versus acute biofilm infections. This is well illustrated by the case of Vibrio cholerae, which competes within biofilms by polymer secretion, terminates polymer secretion at high cell density, and induces an acute disease course that ends with mass dispersal from the host. More generally, this work shows that the balance of competition within and among biofilms can be pivotal in the evolution of quorum sensing.

On its own, a single cell cannot exert more than a microscopic influence on its immediate surroundings. However, via strength in numbers and the expression of cooperative phenotypes, such cells can enormously impact their environments. Simple cooperative phenotypes appear to abound in the microbial world, but explaining their evolution is challenging because they are often subject to exploitation by rapidly growing, non-cooperative cell lines. Population spatial structure may be critical for this problem because it influences the extent of interaction between cooperative and non-cooperative individuals. It is difficult for cooperative cells to succeed in competition if they become mixed with non-cooperative cells, which can exploit the public good without themselves paying a cost. However, if cooperative cells are segregated in space and preferentially interact with each other, they may prevail. Here we use a multi-agent computational model to study the origin of spatial structure within growing cell groups. Our simulations reveal that the spatial distribution of genetic lineages within these groups is linked to a small number of physical and biological parameters, including cell growth rate, nutrient availability, and nutrient diffusivity. Realistic changes in these parameters qualitatively alter the emergent structure of cell groups, and thereby determine whether cells with cooperative phenotypes can locally and globally outcompete exploitative cells. We argue that cooperative and exploitative cell lineages will spontaneously segregate in space under a wide range of conditions and, therefore, that cellular cooperation may evolve more readily than naively expected.

Humans, and many other species, are host to diverse symbionts. It is often suggested that the mutual benefits of host-microbe relationships can alone explain cooperative evolution. Here, we evaluate this hypothesis with evolutionary modelling. Our model predicts that mutual benefits are insufficient to drive cooperation in systems like the human microbiome, because of competition between symbionts. However, cooperation can emerge if hosts can exert control over symbionts, so long as there are constraints that limit symbiont counter evolution. We test our model with genomic data of two bacterial traits monitored by animal immune systems. In both cases, bacteria have evolved as predicted under host control, tending to lose flagella and maintain butyrate production when host-associated. Moreover, an analysis of bacteria that retain flagella supports the evolution of host control, via toll-like receptor 5, which limits symbiont counter evolution. Our work puts host control mechanisms, including the immune system, at the centre of microbiome evolution.