The Fit Get Fitter Advances in modern biology have allowed us to measure evolutionary fitness and estimate the rate of fixation of beneficial mutations. Drawing on the Long-Term Evolution Experiment, studying the evolution of Escherichia coli in a constant environment, Wiser et al. (p. 1364 , published online 14 November) demonstrate that even after 50,000 generations over 20 years, gains in fitness show no evidence of leveling off. Instead, fitness is following a power-law relationship that is dependent on epistasis and clonal interference.

Adaptation by natural selection depends on the rates, effects and interactions of many mutations, making it difficult to determine what proportion of mutations in an evolving lineage are beneficial. Here we analysed 264 complete genomes from 12 Escherichia coli populations to characterize their dynamics over 50,000 generations. The populations that retained the ancestral mutation rate support a model in which most fixed mutations are beneficial, the fraction of beneficial mutations declines as fitness rises, and neutral mutations accumulate at a constant rate. We also compared these populations to mutation-accumulation lines evolved under a bottlenecking regime that minimizes selection. Nonsynonymous mutations, intergenic mutations, insertions and deletions are overrepresented in the long-term populations, further supporting the inference that most mutations that reached high frequency were favoured by selection. These results illuminate the shifting balance of forces that govern genome evolution in populations adapting to a new environment.

Adaptation depends on the rates, effects, and interactions of many mutations. We analyzed 264 genomes from 12 Escherichia coli populations to characterize their dynamics over 50,000 generations. The trajectories for genome evolution in populations that retained the ancestral mutation rate fit a model where most fixed mutations are beneficial, the fraction of beneficial mutations declines as fitness rises, and neutral mutations accumulate at a constant rate. We also compared these populations to lines evolved under a mutation-accumulation regime that minimizes selection. Nonsynonymous mutations, intergenic mutations, insertions, and deletions are overrepresented in the long-term populations, supporting the inference that most fixed mutations are favored by selection. These results illuminate the shifting balance of forces that govern genome evolution in populations adapting to a new environment.

Many populations live in environments subject to frequent biotic and abiotic changes. Nonetheless, it is interesting to ask whether an evolving population's mean fitness can increase indefinitely, and potentially without any limit, even in a constant environment. A recent study showed that fitness trajectories of Escherichia coli populations over 50,000 generations were better described by a power-law model than by a hyperbolic model. According to the power-law model, the rate of fitness gain declines over time but fitness has no upper limit, whereas the hyperbolic model implies a hard limit. Here, we examine whether the previously estimated power-law model predicts the fitness trajectory for an additional 10,000 generations. To that end, we conducted more than 1100 new competitive fitness assays. Consistent with the previous study, the power-law model fits the new data better than the hyperbolic model. We also analysed the variability in fitness among populations, finding subtle, but significant, heterogeneity in mean fitness. Some, but not all, of this variation reflects differences in mutation rate that evolved over time. Taken together, our results imply that both adaptation and divergence can continue indefinitely-or at least for a long time-even in a constant environment.

In an asexual population, the fate of a beneficial mutation depends on how its lineage competes against other mutant lineages in the population. With high beneficial mutation rates or large population sizes, competition between contending mutations is strong, and successful lineages can accumulate multiple mutations before any single one achieves fixation. Most current theory about asexual population dynamics either neglects this multiple-mutations regime or introduces simplifying assumptions that may not apply. Here, we develop a theoretical framework that describes the dynamics of adaptation and substitution over all mutation-rate regimes by conceptualizing the population as a collection of continuously adapting lineages. This model of “lineage interference” shows that each new mutant’s advantage over the rest of the population must be above a critical threshold in order to likely achieve fixation, and we derive a simple expression for that threshold. We apply this framework to examine the role of beneficial mutations with different effect sizes across the transition to the multiple-mutations regime.

Coexistence of multiple populations by frequency-dependent selection is common in nature, and it often arises even in well-mixed experiments with microbes. If ecology is to be incorporated into models of population genetics, then it is important to represent accurately the functional form of frequency-dependent interactions. However, measuring this functional form is problematic for traditional fitness assays, which assume a constant fitness difference between competitors over the course of an assay. Here, we present a theoretical framework for measuring the functional form of frequency-dependent fitness by accounting for changes in abundance and relative fitness during a competition assay. Using two examples of ecological coexistence that arose in a long-term evolution experiment with Escherichia coli, we illustrate accurate quantification of the functional form of frequency-dependent relative fitness. Using a Monod-type model of growth dynamics, we show that two ecotypes in a typical cross-feeding interaction—such as when one bacterial population uses a byproduct generated by another—yields relative fitness that is linear with relative frequency.