Abstract Bacteria often cooperate by secreting molecules that can be shared as public goods between cells. Because the production of public goods is subject to cheating by mutants that exploit the good without contributing to it, there has been great interest in elucidating the evolutionary forces that maintain cooperation. However, little is known on how bacterial cooperation evolves under conditions where cheating is unlikely of importance. Here we use experimental evolution to follow changes in the production of a model public good, the iron-scavenging siderophore pyoverdine, of the bacterium Pseudomonas aeruginosa . After 1200 generations of evolution in nine different environments, we observed that cheaters only reached high frequency in liquid medium with low iron availability. Conversely, when adding iron to reduce the cost of producing pyoverdine, we observed selection for pyoverdine hyper-producers. Similarly, hyper-producers also spread in populations evolved in highly viscous media, where relatedness between interacting individuals is higher. Whole-genome sequencing of evolved clones revealed that hyper-production is associated with mutations/deletions in genes encoding quorum-sensing communication systems, while cheater clones had mutations in the iron-starvation sigma factor or in pyoverdine biosynthesis genes. Our findings demonstrate that bacterial social traits can evolve rapidly in divergent directions, with particularly strong selection for increased levels of cooperation occurring in environments where individual dispersal is reduced, as predicted by social evolution theory. Moreover, we establish a regulatory link between pyoverdine production and quorum-sensing, showing that increased cooperation at one trait (pyoverdine) can be associated with the loss (quorum-sensing) of another social trait.

Different patterns of sperm precedence are expected to result in specific mating costs and benefits for each sex, generating different selection pressures on males and females. However, most studies concern species with mixed paternity or last male sperm precedence, neglecting species with first male sperm precedence, in which only the first mating is effective. Here, we measured costs and benefits of multiple mating for both sexes of the spider mite Tetranychus urticae. First, we assessed the stability of the sperm precedence pattern, by mating females to one, two or several males, immediately after the first mating or 24 hours later. We found complete first male precedence, independently of the mating interval and the number of matings. Females paid a cost of polyandry, as multiply-mated females laid fewer eggs than once-mated females. However, while first males had reduced survival when exposed to an intermediate number of virgin females, second males paid no additional costs by matings with several mated females. Moreover, by mating multiply with mated females, males decreased the total number of offspring sired by first males, which suggests that these matings may entail a relative benefit for second males, despite being ineffective. Our results show that complex costs and benefits may arise in males in species with first male precedence. How these costs and benefits affect the maintenance of selection for polyandry remains an open question.

To fight infection, arthropods rely on the deployment of an innate immune response but also upon physical/chemical barriers and avoidance behaviours. However, most studies focus on immunity, with other defensive mechanisms being relatively overlooked. We have previously shown that the spider mite Tetranychus urticae does not mount an induced immune response towards systemic bacterial infections, entailing very high mortality rates. Therefore, we hypothesized that other defence mechanisms may be operating to minimize infection risk. Here, we test (a) if spider mites are also highly susceptible to other infection routes (spraying and feeding), and (b) if they display avoidance behaviours towards infected food. Individuals sprayed with or fed on Escherichia coli or Pseudomonas putida survived less than the control, pointing to a deficient capacity of the gut epithelium, and possibly of the cuticle, to contain bacteria. Additionally, we found that spider mites prefer uninfected food to food contaminated with bacteria, a choice that probably does not rely on olfactory cues. Our results suggest that spider mites may rely mostly on avoidance behaviours to minimize bacterial infection and highlight the multi-layered nature of immune strategies present in arthropods.

ABSTRACT Microbial communities can shape key ecological services, but the determinants of their functioning often remain little understood. While traditional research predominantly focuses on effects related to species identity (community composition and species richness), recent work increasingly explores the impact of species interactions on community functioning. Here, we conducted experiments with replicated small communities of fluorescent Pseudomonas bacteria to quantify the relative importance of strain identity versus interaction effects on two important functions, community productivity and siderophore production. By combining supernatant and competition assays with an established linear model method, we show that both factors have significant effects on functioning, but identity effects generally outweigh strain interaction effects. These results hold irrespective of whether strains interactions are inferred statistically or approximated experimentally. Our results have implications for microbiome engineering, as the success of approaches aiming to induce beneficial (probiotic) strain interactions will be sensitive to strain identity effects in many communities.

Abstract Pseudomonas aeruginosa populations evolving in cystic fibrosis (CF) lungs, animal infection models, natural environments or in vitro undergo extensive genetic adaption and diversification. A common mutational target is the quorum sensing (QS) regulon, a three-unit regulatory system that controls the expression of a suite of virulence factors and secreted public goods. Three scenarios have been advocated to explain selection for QS mutants, which include (I) disuse of the regulon, (II) cheating on public goods, or (III) modulation of the network. Here, we test these scenarios by examining a set of 61 QS mutants from an experimental evolution study. We observed non-synonymous mutations in all three QS systems – Las, Rhl and PQS. Most Las mutants carried large deletions, resulting in loss of QS function, and the inability to produce QS-regulated traits (scenario I or II). Conversely, phenotypic and gene expression analyses of Rhl mutants support network modulation (scenario III), as these mutants overexpressed the Las and Rhl regulators and showed an altered QS-regulated trait production portfolio. PQS mutants also showed patterns of network modulation (scenario III), spurring strain diversification and phenotypic trade-offs, where the upregulation of certain QS traits is associated with the downregulation of others. Overall, our results indicate that mutations in different QS systems lead to diverging effects on the social portfolio of bacterial populations. These mutations might not only affect the plasticity and diversity of evolved populations but could also impact bacterial fitness and virulence in infections. Importance Pseudomonas aeruginosa uses quorum sensing (QS), a three-unit multi-layered network, to coordinate expression of traits for growth and virulence in the context of infections. Despite its importance for bacterial fitness, the QS regulon appears to be a common mutational target during long-term adaptation of P. aeruginosa in the host, natural environments and experimental evolutions. This raises the questions why such an important regulatory system is under selection and how mutations change the portfolio of QS-regulated traits. Here, we examine a set of 61 naturally evolved mutants to address these questions. We found that mutations involving the master regulator, LasR, resulted in an almost complete breakdown of QS, while mutations in RhlR and PqsR resulted in modulations of the QS regulon, where both the QS regulon structure and the QS-regulated trait portfolio changed. Our work reveals that natural selection drives diversification in QS activity patterns in evolving populations.

Abstract Microbial invasions can compromise ecosystem services and spur dysbiosis and disease in hosts. Nevertheless, the mechanisms determining invasion outcomes often remain unclear. Here, we examine the role of iron-scavenging siderophores in driving invasions of Pseudomonas aeruginosa into resident communities of environmental pseudomonads. Siderophores can be “public goods” by delivering iron to individuals possessing matching receptors; but they can also be “public bads” by withholding iron from competitors lacking these receptors. Accordingly, siderophores should either promote or impede invasion, depending on their dual effects on invader and resident growth. Using supernatant feeding and invasion assays, we show that invasion success indeed decreased when the invader was inhibited (public bad) rather than stimulated (public good) by the residents’ siderophores. Conversely, invasion success often increased when the invader could use its siderophore to inhibit the residents. Our findings identify siderophores as a major driver of invasion dynamics in bacterial communities.