Abstract In eukaryotes, conserved mechanisms ensure that cell growth is coordinated with nutrient availability. Overactive growth during nutrient limitation (“nutrient-growth dysregulation”) can lead to rapid cell death. Here, we demonstrate that cells can adapt to nutrient-growth dysregulation by evolving major metabolic defects. Specifically, when yeast lysine auxotrophic mutant lys - encountered lysine limitation, an evolutionarily novel stress, cells suffered nutrient-growth dysregulation. A sub-population repeatedly evolved to lose the ability to synthesize organosulfurs ( lys - orgS - ). Organosulfurs, mainly glutathione and glutathione conjugates, were released by lys - cells during lysine limitation when growth was dysregulated, but not during glucose limitation when growth was regulated. Limiting organosulfurs conferred a frequency-dependent fitness advantage to lys - orgS - by eliciting a proper slow growth program including autophagy. Thus, nutrient-growth dysregulation is associated with rapid organosulfur release, which enables the selection of organosulfur auxotrophy to better tune cell growth to the metabolic environment. We speculate that evolutionarily novel stresses can trigger atypical release of certain metabolites, setting the stage for the evolution of new ecological interactions.

Microbes live in dynamic environments where nutrient concentrations fluctuate. Quantifying fitness (birth and death) in a wide range of environments is critical for understanding microbial evolution as well as ecological interactions where one species alters the fitness of another. Here, using high-throughput time-lapse microscopy, we have quantified how Saccharomyces cerevisiae mutants incapable of synthesizing an essential metabolite grow or die in various concentrations of the required metabolite. We establish that cells normally expressing fluorescent proteins lose fluorescence upon death and that the total fluorescence in an imaging frame is proportional to the number of live cells even when cells form multiple layers. We validate our microscopy approach of measuring birth and death rates using flow cytometry, cell counting, and chemostat culturing. For lysine-requiring cells, very low concentrations of lysine are not detectably consumed and do not support cell birth, but delay the onset of death phase and reduce the death rate. In contrast, in low hypoxanthine, hypoxanthine-requiring cells can produce new cells, yet also die faster than in the absence of hypoxanthine. For both strains, birth rates under various metabolite concentrations are better described by the sigmoidal-shaped Moser model than the well-known Monod model, while death rates depend on the metabolite concentration and can vary with time. Our work reveals how time-lapse microscopy can be used to discover non-intuitive microbial dynamics and to quantify growth rates in many environments.

Abstract. Field and remote sensing studies suggest that ice mélange influences glacier–fjord systems by exerting stresses on glacier termini and releasing large amounts of freshwater into fjords. The broader impacts of ice mélange over long timescales are unknown, in part due to a lack of suitable ice mélange flow models. Previous efforts have included modifying existing viscous ice shelf models, despite the fact that ice mélange is fundamentally a granular material, and running computationally expensive discrete element simulations. Here, we draw on laboratory studies of granular materials, which exhibit viscous flow when stresses greatly exceed the yield point, plug flow when the stresses approach the yield point, and exhibit stress transfer via force chains. By implementing the nonlocal granular fluidity rheology into a depth- and width-integrated stress balance equation, we produce a numerical model of ice mélange flow that is consistent with our understanding of well-packed granular materials and that is suitable for long-timescale simulations. For parallel-sided fjords, the model exhibits two possible steady-state solutions. When there is no calving of icebergs or melting of previously calved icebergs, the ice mélange is pushed down-fjord by the advancing glacier terminus, the velocity is constant along the length of the fjord, and the thickness profile is exponential. When calving and melting are included and treated as constants, the ice mélange evolves into another steady state in which its location is fixed relative to the fjord walls, the thickness profile is relatively steep, and the flow is extensional. For the latter case, the model predicts that the steady-state ice mélange buttressing force depends on the surface and basal melt rates through an inverse power-law relationship, decays roughly exponentially with both fjord width and gradient in fjord width, and increases with the iceberg calving flux. The buttressing force appears to increase with calving flux (i.e., glacier thickness) more rapidly than the force required to prevent the capsizing of full-glacier-thickness icebergs, suggesting that glaciers with high calving fluxes may be more strongly influenced by ice mélange than those with small fluxes.

Abstract Iceberg calving is a major contributor to Greenland’s ice mass loss. Ice mélange, tightly packed sea ice and icebergs, has been hypothesized to buttress the calving fronts. However, quantifying the mélange buttressing force from field observations remains a challenge. Here we show that such quantification can be achieved with a single field measurement: thickness of mélange at the glacier terminus. We develop a three-dimensional discrete element model of mélange along with a simple analytical model to quantify the mélange buttressing using mélange thickness data from ArcticDEM over 32 Greenland glacier termini. We observed a strong seasonality in mélange thickness: thin mélange (averaged thickness $$3{4}_{-15}^{+17}$$ 3 4 − 15 + 17 m) in summertime when terminus retreats, and thick mélange (averaged thickness $$11{9}_{-37}^{+31}$$ 11 9 − 37 + 31 m) in wintertime when terminus advances. The observed seasonal changes of mélange thickness strongly coincide with observed Greenland calving dynamics and the modeled buttressing effects.