ABSTRACT The self-produced biofilm provides beneficial protection for the enclosed cells, but the costly production of matrix components makes producer cells susceptible to cheating by non-producing individuals. Despite detrimental effects of non-producers, biofilms can be heterogeneous, with isogenic non-producers being a natural consequence of phenotypic differentiation processes. For instance, in Bacillus subtilis biofilm cells differ in the two major matrix components production, the amyloid fiber protein TasA and exopolysaccharides (EPS), demonstrating different expression levels of corresponding matrix genes. This raises questions regarding matrix gene expression dynamics during biofilm development and the impact of phenotypic non-producers on biofilm robustness. Here, we show that biofilms are structurally heterogeneous and can be separated into strongly and weakly associated clusters. We reveal that spatiotemporal changes in structural heterogeneity correlate with matrix gene expression, with TasA playing a key role in biofilm integrity and timing of development. We show that the matrix remains partially privatized by the producer subpopulation, where cells tightly stick together even when exposed to shear stress. Our results support previous findings on the existence of ‘weak points’ in seemingly robust biofilms as well as on the key role of linkage proteins in biofilm formation. Furthermore, we provide a starting point for investigating the privatization of common goods within isogenic populations. IMPORTANCE Biofilms are communities of bacteria protected by a self-produced extracellular matrix. The detrimental effects of non-producing individuals on biofilm development raises questions about the dynamics between community members, especially when isogenic non-producers exist within wild-type populations. We asked ourselves whether phenotypic non-producers impact biofilm robustness, and where and when this heterogeneity of matrix gene expression occurs. Based on our results we propose that the matrix remains partly privatized by the producing subpopulation, since producing cells stick together when exposed to shear stress. The important role of linkage proteins in robustness and development of the structurally heterogeneous biofilm provides an entry into studying the privatization of common goods within isogenic populations.

Organisms as simple as bacteria can engage in complex collective actions, such as group motility and fruiting body formation. Some of these actions involve a division of labor, where phenotypically specialized clonal subpopulations, or genetically distinct lineages cooperate with each other by performing complementary tasks. Here, we combine experimental and computational approaches to investigate potential benefits arising from division of labor during biofilm matrix production. We show that both phenotypic and genetic strategies for a division of labor can promote collective biofilm formation in the soil bacterium Bacillus subtilis. In this species, biofilm matrix consists of two major components; EPS and TasA. We observed that clonal groups of B. subtilis phenotypically segregate into three subpopulations composed of matrix non-producers, EPS-producers, and generalists, which produce both EPS and TasA. This incomplete phenotypic specialization was outperformed by a genetic division of labor, where two mutants, engineered as specialists, complemented each other by exchanging EPS and TasA. The relative fitness of the two mutants displayed a negative frequency dependence both in vitro and on plant roots, with strain frequency reaching a stable equilibrium at 30% TasA-producers, corresponding exactly to the population composition where group productivity is maximized. Using individual-based modelling, we show that asymmetries in strain ratio can arise due to differences in the relative benefits that matrix compounds generate for the collective; and that genetic division of labor can be favored when it breaks metabolic constraints associated with the simultaneous production of two matrix components.

Biofilms are closely packed cells held and shielded by extracellular matrix composed of structural proteins and exopolysaccharides (EPS). As matrix components are costly to produce and shared within the population, EPS-deficient cells can act as cheaters by gaining benefits from the cooperative nature of EPS producers. Remarkably, genetically programmed EPS producers can also exhibit phenotypic heterogeneity at single cell level. Previous studies have shown that spatial structure of biofilms limits the spread of cheaters, but the long-term influence of cheating on biofilm evolution is not well understood. Here, we examine the influence of EPS non-producers on evolution of matrix production within the populations of EPS producers in a model biofilm-forming bacterium, Bacillus subtilis . We discovered that general adaptation to biofilm lifestyle leads to an increase in phenotypical heterogeneity of eps expression. Apparently, prolonged exposure to EPS-deficient cheaters, may result in different adaptive strategy, where eps expression increases uniformly within the population. We propose a molecular mechanism behind such adaptive strategy and demonstrate how it can benefit the EPS-producers in the presence of cheaters. This study provides additional insights on how biofilms adapt and respond to stress caused by exploitation in long-term scenario.

Microbial biofilms are tightly packed, heterogeneous structures that serve as arenas for social interactions. Studies on Gram negative models reveal that during evolution in structured environments like biofilms, isogenic populations commonly diversify into phenotypically and genetically distinct variants. These variants can settle in alternative biofilm niches and develop new types of interactions that greatly influence population productivity. Here, we explore the evolutionary diversification of pellicle biofilms of the Gram positive, spore-forming bacterium Bacillus subtilis. We discover that - similarly to other species - B. subtilis diversifies into distinct colony variants. These variants dramatically differ in biofilm formation abilities and expression of biofilm-related genes. In addition, using a quantitative approach, we reveal striking differences in surface complexity and hydrophobicity of the evolved colony types. Interestingly, one of the morphotypes completely lost the ability of independent biofilm formation and evolved to hitchhike with other morphotypes with improved biofilm forming abilities. Genome comparison suggests that major phenotypic transformations between the morphotypes can be triggered by subtle genetic differences. Our work demonstrates how positive complementarity effects and exploitative interactions intertwine during evolutionary diversification in biofilms.