In most animal species, juvenile growth is marked by an exponential gain in body weight and size. Here we show that the microbiota of infant mice sustains both weight gain and longitudinal growth when mice are fed a standard laboratory mouse diet or a nutritionally depleted diet. We found that the intestinal microbiota interacts with the somatotropic hormone axis to drive systemic growth. Using monocolonized mouse models, we showed that selected lactobacilli promoted juvenile growth in a strain-dependent manner that recapitulated the microbiota's effect on growth and the somatotropic axis. These findings show that the host's microbiota supports juvenile growth. Moreover, we discovered that lactobacilli strains buffered the adverse effects of chronic undernutrition on the postnatal growth of germ-free mice.

The ability of bacteria to adapt to diverse environmental conditions is well-known. The process of bacterial adaptation to a niche has been linked to large changes in the genome content, showing that many bacterial genomes reflect the constraints imposed by their habitat. However, some highly versatile bacteria are found in diverse habitats that almost share nothing in common. Lactobacillus plantarum is a lactic acid bacterium that is found in a large variety of habitat. With the aim of unravelling the link between evolution and ecological versatility of L. plantarum, we analysed the genomes of 54 L. plantarum strains isolated from different environments. Comparative genome analysis identified a high level of genomic diversity and plasticity among the strains analysed. Phylogenomic and functional divergence studies coupled with gene-trait matching analyses revealed a mixed distribution of the strains, which was uncoupled from their environmental origin. Our findings revealed the absence of specific genomic signatures marking adaptations of L. plantarum towards the diverse habitats it is associated with. This suggests fundamentally similar trends of genome evolution in L. plantarum, which occur in a manner that is apparently uncoupled from ecological constraint and reflects the nomadic lifestyle of this species.

ABSTRACT Lactic-acid bacteria such as Lactobacillus plantarum are commonly used for fermenting foods and as probiotics, where increasingly sophisticated genome-editing tools are currently being employed to elucidate and enhance these microbes’ beneficial properties. The most advanced tools to-date require heterologous single-stranded DNA recombinases to integrate short oligonucleotides followed by using CRISPR-Cas9 to eliminate cells harboring unedited sequences. Here, we show that encoding the recombineering template on a replicating plasmid allowed efficient genome editing with CRISPR-Cas9 in multiple L. plantarum strains without a recombinase. This strategy accelerated the genome-editing pipeline and could efficiently introduce a stop codon in ribB , silent mutations in ackA , and a complete deletion of lacM . In contrast, oligo-mediated recombineering with CRISPR-Cas9 proved far less efficient in at least one instance. We also observed unexpected outcomes of our recombinase-free method, including an ~1.3-kb genomic deletion when targeting ribB in one strain, and reversion of a point mutation in the recombineering template in another strain. Our method therefore can streamline targeted genome editing in different strains of L. plantarum , although the best means of achieving efficient editing may vary based on the selected sequence modification, gene, and strain.

Abstract Animal-microbe facultative symbioses play a fundamental role in ecosystem and organismal health (1–3). Yet, due to the flexible nature of their association, the selection pressures acting on animals and their facultative symbionts remain elusive (4, 5). Here, by applying experimental evolution to a well-established model of facultative symbiosis: Drosophila melanogaster associated with Lactobacillus plantarum , one of its growth promoting symbiont (6, 7), we show that the diet, instead of the host, is a predominant driving force in the evolution of this symbiosis and identify the mechanism resulting from the bacterial adaptation to the diet, which confers host growth benefits. Our study reveals that adaptation to the diet can be the foremost step in the determination of the evolutionary course of a facultative symbiosis.

ABSTRACT Animals form complex symbiotic associations with their gut microbes, whose evolution is determined by an intricate network of host and environmental factors. In many insects, such as Drosophila melanogaster , the microbiome is flexible, environmentally determined and less diverse than in mammals. In contrast, mammals maintain complex multispecies consortia that are able to colonize and persist in the gastrointestinal tract. Understanding the evolutionary and ecological dynamics of gut microbes in different hosts is challenging. This requires disentangling the ecological factors of selection, determining the timescales over which evolution occurs, and elucidating the architecture of such evolutionary patterns. Here, we employ experimental evolution to track the pace of the evolution of a common gut commensal, Lactiplantibacillus plantarum , within invertebrate ( Drosophila melanogaster ) and vertebrate ( Mus musculus ) hosts and their respective diets. While the symbiosis between Drosophila and L. plantarum is mainly determined by host diet, with the host influencing the fitness of its gut microbes only over short timescales, bacterial evolution within the mammalian host follows a divergent evolutionary path. Here, the host and its intrinsic factors play a critical role in selection and influence both the phenotypic and genomic evolution of its gut microbes, as well as the outcome of their symbiosis.

Abstract The microbiome, which encompasses microbial communities associated with animal hosts, exerts a profound impact on host physiology and ecosystem dynamics. The application of advanced sequencing technologies has enabled researchers to investigate the composition of microbiomes across a range of hosts and environments. While correlating microbial composition with health outcomes has been a priority, interpreting such data requires caution to avoid overemphasizing the roles of microbes. Understanding microbial influence demands mechanistic insights, which are often elucidated through gnotobiology. Despite their limitations in representing animal diversity, model organisms offer the advantage of reproducibility and experimental tractability. However, the marine realm, especially bivalves, which are crucial for ecosystem functioning and aquaculture, lacks gnotobiotic models. In this study, we present a method for generating microbiome-depleted and gnotobiotic clams ( Ruditapes philippinarum ), one of the most widely farmed molluscs in the world and a sentinel organism for climate change. This model expands gnotobiotic research into marine invertebrates, thereby enabling investigations into the impact of microbes on such key animal species.

Abstract Human oral microbiome harbours hundreds of bacterial species, which, during evolution, assembled in different niches, such as the microbiome of saliva, tongue, hard palate, gingiva and dental plaque. Among these, saliva has been the most studied ecological niche of the oral microbiome. In this frame, scientific research has demonstrated that several factors concur to determine the saliva microbial composition, including diet, systemic diseases and drugs. However, the influence of such variables on other oral niches, such as the dental calculus, a calcified derivative of dental plaque, is still unexplored. During the last decade, dental calculus has become the primary target for evolutionary microbiome studies because of its ability to keep both bacterial DNA and dietary molecules (i.e., proteins and starch). As a consequence, dental calculus is now considered a powerful tool for obtaining information about oral microbiome composition, diet and individual health status in past populations, making it also appealing for clinical research. Here, we provide the first clinical study, to our knowledge, assessing the inter-variability of dental calculus microbiome in 40 patients. Samples were collected during routine dental inspection and analysed through 16S amplicon sequencing. In addition, we investigated the relationship between oral microbiome and host. Specifically, we tested the influence of Mediterranean diet style on the composition and functional pathways of oral bacteria, with the aim to test the dental calculus as a clinical bio-marker for diet impact and health status.

Abstract Animals and their gut microbes mutually benefit their health. In this frame, nutrition has a central role by directly affecting both host and microbes’ fitness and their effects. This makes nutritional symbioses a complex and dynamic tri-system of diet-microbiota-host. Despite recent discoveries on this field, full control over the interplay among these partners is challenging and hinders the resolution of fundamental questions, such as how to parse the gut microbes’ effect as raw nutrition or as symbiotic partners? To tackle this, we made use of the well-characterized Drosophila melanogaster / Lactiplantibacillus plantarum experimental model of nutritional symbiosis to generate a quantitative framework of gut microbes’ effect on the host. We show that the beneficial effect of L. plantarum strains primarily results from the active relationship as symbionts rather than raw nutrients, regardless of the bacterial strain. Metabolomic analysis of both active and inactive bacterial cells further demonstrated the crucial role of the production of beneficial bacterial metabolites, such as N-acetylated-amino-acids, as result of active bacterial growth and function. Altogether, our results provide a ranking and quantification of the main bacterial features contributing to sustain animal growth. We demonstrate that viability is the predominant and necessary variable involved in bacteria-mediated benefit, followed by strain-specific properties and the nutritional potential of the bacterial cells as direct energy source. This contributes to elucidate the role of beneficial bacteria and probiotics, creating a broad quantitative framework for host-gut microbiome that can be expanded to other model systems.

ABSTRACT Animals and their commensal bacteria are known to reciprocally influence many traits of their physiology. Specifically, microbes contribute to the maintenance of the immune system homeostasis, improve host digestive processes, and sustain host growth and development. Several studies have reported that such effects result from an intricate network of nutritional, metabolic and immune inputs and partly rely on the capacity of microbes to regulate the host’s transcriptional response. However, these evidences mainly come from comparing the transcriptional response caused by commensal bacteria with that of axenic animals, making it difficult to identify the specific animal genes that are regulated by beneficial microbes. Here, we employ a well-established model of nutritional symbiosis, Drosophila melanogaster associated with Lactiplantibacillus plantarum , to understand the host genetic pathways regulated by beneficial bacteria and leading to improved host growth and development. Using isogenic L. plantarum strains bearing different growth-promoting effects, we show that the microbial benefit to the host relies on the down-regulation of peptidoglycan- recognition proteins. In particular, we report that the lower expression of PGRP-SC1 exerted by growth-promoting bacteria is responsible for their higher proliferation and the consequent increased production of beneficial metabolites, which ultimately leads to improved host growth and development. Our study helps elucidate the mechanisms underlying the beneficial effect exerted by commensal bacteria, defining the role of PGRP-SC1 in the relationship between Drosophila and its gut microbes. IMPORTANCE Commensal bacteria are in constant association with their animal hosts, significantly affecting animal physiology through an intricate network of nutritional, metabolic and immune inputs. Yet, how beneficial bacteria specifically improve animal health is not fully understood. Here, we used a well-established model of nutritional symbiosis to understand how beneficial gut microbes improve host growth via regulation of its transcriptional response. Our study advances the current knowledge in host-microbe interactions by demonstrating that commensal bacteria improve fly growth by actively regulating the expression of immune effectors, which lead to higher immune tolerance. This leads to higher bacterial proliferation and the increased production of beneficial microbial metabolites, which are then consumed by the host. Our results shed light on the complex mechanisms underlying the relationships between a host and its gut microbes.

The ability of many bacteria to adapt to diverse environmental conditions is well known. Recent research has linked the process of bacterial adaptation to a niche to changes in the genome content and size, showing that many bacterial genomes reflect the constraints imposed by their habitat. However, some highly versatile bacteria are found in diverse niches that almost share nothing in common. Lactobacillus plantarum is a lactic acid bacterium that is found in a large variety of niches. With the aim of unravelling the link between genome evolution and ecological versatility of L. plantarum, we analysed the genomes of 54 L. plantarum strains isolated from different environments. Phylogenomic analyses coupled with the study of genetic functional divergence and gene-trait matching analysis revealed a mixed distribution of the strains, which was uncoupled from their environmental origin. Our findings demonstrate the high complexity of L. plantarum evolution, revealing the absence of specific genomic signatures marking adaptations of this species towards the diverse habitats it is associated with. This suggests fundamentally similar and parallel trends of genome evolution in L. plantarum, which occur in a manner that is apparently uncoupled from ecological constraint and reflects the nomadic lifestyle of this species.