We assess the degree to which adaptation to a uniform environment among independently evolving asexual populations is associated with increasing divergence of those populations. In addition, we are concerned with the pattern of adaptation itself, particularly whether the rate of increase in mean fitness tends to decline with the number of generations of selection in a constant environment. The correspondence between the rate of increase in mean fitness and the within-population genetic variance of fitness, as expected from Fisher's fundamental theorem, is also addressed. Twelve Escherichia coli populations were founded from a single clonal ancestor and allowed to evolve for 2,000 generations. Mean fitness increased by about 37%. However, the rate of increase in mean fitness was slower in later generations. There was no statistically significant within-population genetic variance of fitness, but there was significant between-population variance. Although the estimated genetic variation in fitness within populations was not statistically significant, it was consistent in magnitude with theoretical expectations. Similarly, the variance of mean fitness between populations was consistent with a model that incorporated stochastic variation in the timing and order of substitutions at a finite number of nonepistatic loci, coupled with substitutional delays and interference between substitutions arising from clonality. These results, taken as a whole, are consistent with theoretical expectations that do not invoke divergence due to multiple fitness peaks in a Wrightian evolutionary landscape.

ABSTRACT Reductive genomic evolution, driven by genetic drift, is common in endosymbiotic bacteria. Genome reduction is less common in free-living organisms, but it has occurred in the numerically dominant open-ocean bacterioplankton Prochlorococcus and “ Candidatus Pelagibacter,” and in these cases the reduction appears to be driven by natural selection rather than drift. Gene loss in free-living organisms may leave them dependent on cooccurring microbes for lost metabolic functions. We present the Black Queen Hypothesis (BQH), a novel theory of reductive evolution that explains how selection leads to such dependencies; its name refers to the queen of spades in the game Hearts, where the usual strategy is to avoid taking this card. Gene loss can provide a selective advantage by conserving an organism’s limiting resources, provided the gene’s function is dispensable. Many vital genetic functions are leaky, thereby unavoidably producing public goods that are available to the entire community. Such leaky functions are thus dispensable for individuals, provided they are not lost entirely from the community. The BQH predicts that the loss of a costly, leaky function is selectively favored at the individual level and will proceed until the production of public goods is just sufficient to support the equilibrium community; at that point, the benefit of any further loss would be offset by the cost. Evolution in accordance with the BQH thus generates “beneficiaries” of reduced genomic content that are dependent on leaky “helpers,” and it may explain the observed nonuniversality of prototrophy, stress resistance, and other cellular functions in the microbial world.

Researchers are divided over what processes should be considered fundamental.

Most mutations are likely to be deleterious, and so the spontaneous mutation rate is generally held at a very low value. Nonetheless, evolutionary theory predicts that high mutation rates can evolve under certain circumstances. Empirical observations have previously been limited to short-term studies of the fates of mutator strains deliberately introduced into laboratory populations of Escherichia coli, and to the effects of intense selective events on mutator frequencies in E. coli. Here we report the rise of spontaneously originated mutators in populations of E. coli undergoing long-term adaptation to a new environment. Our results corroborate computer simulations of mutator evolution in adapting clonal populations, and may help to explain observations that associate high mutation rates with emerging pathogens and with certain cancers.

The role of historical contingency in evolution has been much debated, but rarely tested. Twelve initially identical populations of Escherichia coli were founded in 1988 to investigate this issue. They have since evolved in a glucose-limited medium that also contains citrate, which E. coli cannot use as a carbon source under oxic conditions. No population evolved the capacity to exploit citrate for >30,000 generations, although each population tested billions of mutations. A citrate-using (Cit + ) variant finally evolved in one population by 31,500 generations, causing an increase in population size and diversity. The long-delayed and unique evolution of this function might indicate the involvement of some extremely rare mutation. Alternately, it may involve an ordinary mutation, but one whose physical occurrence or phenotypic expression is contingent on prior mutations in that population. We tested these hypotheses in experiments that “replayed” evolution from different points in that population's history. We observed no Cit + mutants among 8.4 × 10 12 ancestral cells, nor among 9 × 10 12 cells from 60 clones sampled in the first 15,000 generations. However, we observed a significantly greater tendency for later clones to evolve Cit + , indicating that some potentiating mutation arose by 20,000 generations. This potentiating change increased the mutation rate to Cit + but did not cause generalized hypermutability. Thus, the evolution of this phenotype was contingent on the particular history of that population. More generally, we suggest that historical contingency is especially important when it facilitates the evolution of key innovations that are not easily evolved by gradual, cumulative selection.

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.

The ecological and evolutionary aspects of planned introductions of transgenic organisms into the environment are considered in this report. The authors support the timely development of environmentally sound products, such as improved agricultural varieties, fertilizers, pest control agents, and microorganisms for waste treatment, through the use of advanced biotechnology within the context of a scientifically based regulatory policy that encourages innovation without compromising sound environmental management. Economic, social, and ethical concerns also must be weighed along with strictly ecological and evolutionary considerations, but these other issues are beyond the scope of this report. Ecological oversight of planned introductions should be directed at promoting effectiveness while guarding against potential problems. The diversity of organisms that will be modified, functions that will be engineered, and environments that will receive altered organisms makes ecological risk evaluation complex. While we cannot now recommend the complete exemption of specific organisms or traits from regulatory oversight, we support and will continue to assist in the development of methods for scaling the level of oversight needed for individual cases according to objective, scientific criteria, with a goal of minimizing unnecessary regulatory burdens. In this report, we provide a preliminary set of specific criteria for the scaling of regulatory oversight. Genetically engineered organisms should be evaluated and regulated according to their biological properties (phenotypes), rather than according to the genetic techniques used to produce them. Nonetheless, because many novel combinations of properties can be achieved only by molecular and cellular techniques, products of these techniques may often be subjected to greater scrutiny than the products of traditional techniques. Although the capability to produce precise genetic alterations increases confidence that unintended changes in the genome have not occurred, precise genetic characterization does not ensure that all ecologically important aspects of the phenotype can be predicted for the environments into which an organism will be introduced. Many important scientific issues must be considered in evaluating the potential ecological consequences of the planned introduction of genetically engineered organisms into the environment. These include survival and reproduction of the introduced organism, interactions with other organisms in the environment, and effects of the introduced organism on ecosystem function. We encourage the use of small—scale field tests , when justified by previous laboratory and/or greenhouse studies, under conditions that minimize dispersal and under appropriate regulatory oversight. As the biotechnology industry develops, continuing regulatory oversight as well as long—term research and monitoring will be necessary for responsible risk management. Many engineered organisms will probably be less fit than the parent organism, although some important exceptions may arise. Even if an engineered trait reduces an organism's fitness only slightly, may generations may pass before the introduced organisms disappears completely due to decreased fitness. Such persistence is most probable when the turnover rate of populations is very slow. Natural selection will act on genetically engineered organisms, as it does on all others. Selection after the release of the transgenic organism will tend to increase fitness, not decrease it, by reducing the costs associated with the novel traits. If increases in fitness do occur, they will probably increase population growth rate and biological competitiveness, or produce other ecological effects that should be considered in assessing risks. Transfer of engineered genes from the modified organism to other organisms may occur through hybridization in higher organisms, or through conjugation, transduction, or transformation in microorganisms. If lateral transfer occurs, an engineered gene may persist in the natural environment even after the genetically engineered organism itself is no longer present. The available scientific evidence indicates that lateral transfer among microorganisms in nature is neither so rare that we can ignore its occurrence, nor so common that we can assume that barriers crossed by modern biotechnology are comparable to those constantly crossed in nature. Native species, as well as species newly introduced from distant habitats, may become pests. An organism engineered to prosper in a new habitat type, geographic area, or season is effectively an introduced organism in that it will probably enter into new biotic and abiotic interactions. Therefore, regulatory and risk assessment structures that rely on the distinction between ~`native" and ~`non—native" must be used with caution. Concern has frequently been expressed regarding the potential for genetically engineered organisms to displace resident species in the receiving community, particularly microbial species performing key functional roles such as nitrogen fixation of lignin decomposition. Because redundancy of function appears to be common in microbial communities, in many cases there would be little concern over microbial species displacement caused by an introduced transgenic organism. Ecological effects and the geographic ranges of organisms transcend political boundaries; we therefore consider it essential to promote and achieve international coordination of risk assessment and regulation of biotechnology. Special consideration must be given to the protection of rare genetic resources, such as the wild ancestors of domesticated species, and threatened gene pools of other wild species. We urge local, state, national, international cooperation in risk assessment and regulation of the ecological effects of the introduction of transgenic organisms. Evaluating the benefits and risks of biotechnology products requires expertise in many scientific disciplines including molecular biology, genetics, cell biology, evolutionary biology, physiology, population and community ecology, and ecosystem science. For society to realize the full benefits of biotechnology, interdisciplinary research and graduate training programs are needed to expand the expertise of the scientific community at large.