Bacteria swim by means of rotating flagella that are powered by ion influx through membrane-spanning motor complexes. Escherichia coli and related species harness a chemosensory and signal transduction machinery that governs the direction of flagellar rotation and allows them to navigate in chemical gradients. Here, we show that Escherichia coli can also fine-tune its swimming speed with the help of a molecular brake (YcgR) that, upon binding of the nucleotide second messenger cyclic di-GMP, interacts with the motor protein MotA to curb flagellar motor output. Swimming velocity is controlled by the synergistic action of at least five signaling proteins that adjust the cellular concentration of cyclic di-GMP. Activation of this network and the resulting deceleration coincide with nutrient depletion and might represent an adaptation to starvation. These experiments demonstrate that bacteria can modulate flagellar motor output and thus swimming velocity in response to environmental cues.

The mammalian gut harbors a dense microbial community interacting in multiple ways, including horizontal gene transfer (HGT). Pangenome analyses established particularly high levels of genetic flux between Gram-negative Enterobacteriaceae . However, the mechanisms fostering intraenterobacterial HGT are incompletely understood. Using a mouse colitis model, we found that Salmonella -inflicted enteropathy elicits parallel blooms of the pathogen and of resident commensal Escherichia coli . These blooms boosted conjugative HGT of the colicin-plasmid p2 from Salmonella enterica serovar Typhimurium to E. coli . Transconjugation efficiencies of ∼100% in vivo were attributable to high intrinsic p2-transfer rates. Plasmid-encoded fitness benefits contributed little. Under normal conditions, HGT was blocked by the commensal microbiota inhibiting contact-dependent conjugation between Enterobacteriaceae . Our data show that pathogen-driven inflammatory responses in the gut can generate transient enterobacterial blooms in which conjugative transfer occurs at unprecedented rates. These blooms may favor reassortment of plasmid-encoded genes between pathogens and commensals fostering the spread of fitness-, virulence-, and antibiotic-resistance determinants.

The identity of plant host genetic factors controlling the composition of the plant microbiota and the extent to which plant genes affect associated microbial populations is currently unknown. Here, we use a candidate gene approach to investigate host effects on the phyllosphere community composition and abundance. To reduce the environmental factors that might mask genetic factors, the model plant Arabidopsis thaliana was used in a gnotobiotic system and inoculated with a reduced complexity synthetic bacterial community composed of seven strains representing the most abundant phyla in the phyllosphere. From a panel of 55 plant mutants with alterations in the surface structure, cell wall, defense signaling, secondary metabolism, and pathogen recognition, a small number of single host mutations displayed an altered microbiota composition and/or abundance. Host alleles that resulted in the strongest perturbation of the microbiota relative to the wild-type were lacs2 and pec1. These mutants affect cuticle formation and led to changes in community composition and an increased bacterial abundance relative to the wild-type plants, suggesting that different bacteria can benefit from a modified cuticle to different extents. Moreover, we identified ein2, which is involved in ethylene signaling, as a host factor modulating the community's composition. Finally, we found that different Arabidopsis accessions exhibited different communities, indicating that plant host genetic factors shape the associated microbiota, thus harboring significant potential for the identification of novel plant factors affecting the microbiota of the communities.

ABSTRACT Microbial breakdown of carbon polymers is an essential process in all ecosystems. Carbon polymers generally require extracellular breakdown by secreted exoenzymes. Exoenzymes and breakdown products can be lost through diffusion or flow. This diffusional loss is reduced when bacteria grow in surface-associated populations where they benefit from each other’s metabolic activities. The aquatic organism Caulobacter crescentus was recently shown to form clonal microcolonies on the carbon polymer xylan, but to grow solitary on the monosaccharide xylose. The underlying mechanisms of this substrate-mediated microcolony formation are unknown. In particular, the importance of extracellular appendages such as pili, adhesive holdfast, and flagellum in governing the spatial arrangement of surface-grown cells is unclear. Using microfluidics coupled to automated time-lapse microscopy and quantitative image analysis, we compared the temporal and spatial dynamics of C. crescentus wildtype and mutant strains grown on xylan, xylose, or glucose. We found that mutants lacking type IV pili or holdfast showed altered spatial patterns in microcolonies and were unable to maintain cell densities above a threshold required for maximal growth rates on the xylan polymer, whereas mutants lacking flagella showed increased cell densities that potentially lead to increased local competition. Our results demonstrate that extracellular appendages allow bacteria to reach local cell densities that maximize single-cell growth rates in response to their nutrient environment.

Abstract Ecosystem processes result from interaction between organisms. When interactions are local, the spatial organization of organisms defines their network of interactions, and thus influences the system’s functioning. This can be especially relevant for microbial systems, which often consist of spatially structured communities of cells connected by a dense interaction network. Here we measured the spatial interaction network between cells in microbial systems and identify the factors that determine it. Combining quantitative single-cell analysis of synthetic bacterial communities with mathematical modeling, we find that cells only interact with other cells in their immediate neighbourhood. This short interaction range impacts the functioning of the whole system by reducing its ability to perform metabolic processes collectively. Our experiments and models demonstrate that the spatial scale of cell-to-cell interaction plays a fundamental role in understanding and controlling natural communities, and in engineering microbial systems for specific purposes. Significance Statement Communities of interacting microbes perform fundamental processes on earth. We do not understand well how these processes emerge from the interactions between individual microbial cells. Our work investigates how strongly individual cells interact and how the strength of the interaction depends on the distance between cells. The discovery that individual cells ‘live in a small world’, i.e. they only interact with a small number of cells around them, changes our understanding of how cells in natural microbial communities are metabolically coupled and how their spatial arrangement determines emergent properties at the community level. Our quantitative single-cell approach allows to address central questions on systems composed of interacting genotypes and to increase our understanding and ability to control microbial communities.

Abstract Bacteria often live in spatially structured groups such as biofilms. In these groups, cells can collectively generate gradients through the uptake and release of compounds. In turn, individual cells adapt their activities to the environment shaped by the whole group. Here we studied how these processes can generate phenotypic variation in clonal populations and how this variation contributes to the resilience of the population to antibiotics. We grew two-dimensional populations of Escherichia coli in microfluidic chambers where limiting amounts of glucose were supplied from one side. We found that the collective metabolic activity of cells created microscale gradients where nutrient concentration varied over a few cell lengths. As a result, growth rates and gene expression levels varied strongly between cells close in space. Furthermore, we found evidence for a metabolic cross-feeding interaction between glucose fermenting and acetate respiring subpopulations. Finally, we found that the populations were able to survive an antibiotic pulse that was lethal in well-mixed conditions, likely due to the presence of a slow growing subpopulation. Our work shows that emergent metabolic gradients can have important consequences for the functionality of bacterial populations as they create opportunities for metabolic interactions and increase the populations’ tolerance to environmental stressors.

Abstract Horizontal gene transfer, mediated by conjugative plasmids, is a major driver of the global spread of antibiotic resistance. However, the relative contributions of factors that underlie the spread of clinically relevant plasmids are unclear. Here, we quantified conjugative transfer dynamics of Extended Spectrum Beta-Lactamase (ESBL) producing plasmids in the absence of antibiotics. We showed that clinical Escherichia coli strains natively associated with ESBL-plasmids conjugate efficiently with three distinct E. coli strains and one Salmonella enterica serovar Typhimurium strain, reaching final transconjugant frequencies of up to 1% within 24 hours in vitro . The variation of final transconjugant frequencies varied among plasmids, donors and recipients and was better explained by variation in conjugative transfer efficiency than by variable clonal expansion. We identified plasmid-specific genetic factors, specifically the presence/absence of transfer genes, that influenced final transconjugant frequencies. Finally, we investigated plasmid spread within the mouse intestine, demonstrating qualitative agreement between plasmid spread in vitro and in vivo. This suggests a potential for the prediction of plasmid spread in the gut of animals and humans, based on in vitro testing. Altogether, this may allow the identification of resistance plasmids with high spreading potential and help to devise appropriate measures to restrict their spread.

Abstract It has been long known that bacteria coordinate their physiology with environmental nutrient, yet our current understanding offers little intuition for how bacteria respond to the second-to-minute scale fluctuations in nutrient concentration characteristic of many microbial habitats. To investigate the effects of rapid nutrient fluctuations on bacterial growth, we coupled custom microfluidics with single-cell microscopy to quantify the growth rate of E. coli experiencing 30 s to 60 min nutrient fluctuations. Compared to steady environments of equal average concentration, fluctuating environments reduced growth rate by up to 50%. However, measured reductions in growth rate were only 38% of the growth loss predicted from single nutrient shifts — an enhancement produced by the distinct growth response of cells grown in environments that fluctuate rather than shift once. We report an unexpected physiology adapted for growth in nutrient fluctuations and implicate nutrient timescale as a critical environmental parameter beyond nutrient concentration and source.

Abstract Microbial communities perform key ecosystem processes collectively. One such process is the degradation of carbohydrate polymers, which are the dominant pool of organic carbon in natural environments. Carbohydrate polymers are often degraded in a stepwise manner. Individual steps are performed by different microbial species, which form trophic cascades with carbon polymers at the bottom and fully oxidised carbon at the top. It is widely believed that these trophic cascades are hierarchically organised, where organisms at each level rely on organisms at the levels below. However, whether and how the higher-level organisms can also affect processes at the lower levels is not well understood. Here we studied how carbohydrate polymer degradation mediated by secreted enzymes is affected by species at higher trophic levels, i.e., species that cannot produce the enzymes for polymer degradation but can grow in presence of the polymer degraders. We used growth and enzyme assays in combination with transcriptomics to study how chitin degradation by a number of Vibrio strains is affected by the presence of different cross-feeders that consume metabolic by-products. We found that interactions between the degraders and cross-feeders influence the rate of chitin degradation by the community. Furthermore, we show that this is a result of changes in chitinase expression by degraders. Overall, our results demonstrate that interactions between species can influence key ecosystem functions performed by individuals within microbial communities. These results challenge the perspective that trophic cascades based on metabolically coupled microbial communities are unidirectional and provide mechanistic insights into these downstream interactions.