Abstract Intestinal inflammation fuels Salmonella Typhimurium ( S .Tm) transmission despite a fitness cost associated with the expression of virulence. Cheater mutants can emerge that profit from inflammation without enduring this cost. Intestinal virulence in S .Tm is therefore a cooperative trait, and its evolution a conundrum. Horizontal gene transfer (HGT) of cooperative alleles may facilitate the emergence of cooperative virulence, despite its instability. To test this hypothesis, we cloned hilD , coding for a master regulator of virulence, into a conjugative plasmid that is highly transferrable during intestinal colonization. We demonstrate that virulence can emerge by hilD transfer between avirulent strains in vivo . However, this was indeed unstable and hilD mutant cheaters arose within a few days. The timing of cheater emergence depended on the cost. We further show that stabilization of cooperative virulence in S .Tm is dependent on transmission dynamics, strengthened by population bottlenecks, leading cheaters to extinction and allowing cooperators to thrive.

Introductory paragraph The ability of gut bacterial pathogens to escape immunity by antigenic variation, particularly via changes to surface-exposed antigens, is a major barrier to immune clearance 1 . However, not all variants are equally fit in all environments 2, 3 . It should therefore be possible to exploit such immune escape mechanisms to direct an evolutionary trade-off. Here we demonstrated this phenomenon using Salmonella enterica subspecies enterica serovar Typhimurium ( S. Tm). A dominant surface antigen of S. Tm is its O-antigen: A long, repetitive glycan that can be rapidly varied by mutations in biosynthetic pathways or by phase-variation 4, 5 . We quantified the selective advantage of O-antigen variants in the presence and absence of O-antigen specific IgA and identified a set of evolutionary trajectories allowing immune escape without an associated fitness cost in naïve mice. Through the use of oral vaccines, we rationally induced IgA responses blocking all of these trajectories, which selected for Salmonella mutants carrying deletions of the O-antigen polymerase wzyB. Due to their short O-antigen, these evolved mutants were more susceptible to environmental stressors (detergents, complement), predation (bacteriophages), and were impaired in gut colonization and virulence in mice. Therefore, a rationally induced cocktail of intestinal antibodies can direct an evolutionary trade-off in S. Tm. This lays the foundations for the exploration of mucosal vaccines capable of setting evolutionary traps as a prophylactic strategy.

Abstract Environmental cues modulate the expression of virulence in bacterial pathogens. However, while cues that upregulate virulence are often intuitive and mechanistically well understood, this is less so for cues that downregulate virulence. In this study, we noticed that upregulation of the HilD virulence regulon in Salmonella Typhimurium ( S .Tm) sensitized cells to membrane stress mediated by cholate, Tris/EDTA or heat. Further monitoring of membrane status and stress resistance of S .Tm cells in relation to virulence expression, revealed that co-expressed virulence factors embedded in the envelope (including the Type Three Secretion System 1 and the flagella) increased permeability, and stress sensitivity of the membrane. Importantly, pretreating the bacteria by sublethal stress inhibited virulence expression and restored stress resistance. As such, these results demonstrate a trade-off between virulence and stress resistance, which explains the downregulation of virulence expression in response to harsh environments in S .Tm.

Phenotypic heterogeneity in bacteria can generate reversible resistance against various stressors, including predation by phages. This allows mixed populations of phenotypically resistant and sensitive bacteria to coexist with virulent phages. However, it remains unclear if these dynamics prevent the evolution of genetic resistance in bacteria and how they affect the evolution of phages. In this work, we focus on bistable alterations of the O-antigen (known as phase variation) in Salmonella Typhimurium (S.Tm) to study how heterogeneous phenotypic resistance affects phage-bacteria coevolution. Our findings reveal that phase variation allows a stable coexistence of S.Tm with a virulent T5-like phage in vitro. This coexistence is nevertheless short-lived when S.Tm and the phage interact within the intestinal tract of mice. In this context, the phage evolves to also infect phenotypically resistant S.Tm cells, incidentally altering infectivity on other Salmonella serovars. In return, the broader host range of the evolved phages drives the evolution of genetic resistance in S.Tm, which results in phage extinction. This work demonstrates that phenotypic heterogeneity profoundly influences the antagonistic coevolution of phages and bacteria, with outcomes intricately tied to the ecological context.

Abstract Many plasmids encode antibiotic resistance genes. Through conjugation, plasmids can be rapidly disseminated. Previous work identified gut-luminal donor/recipient blooms and tissue-lodged plasmid-bearing persister cells of the enteric pathogen Salmonella enterica serovar Typhimurium ( S .Tm) that survive antibiotic-therapy in host tissues, as factors promoting plasmid dissemination among Enterobacteriaceae . However, the buildup of tissue reservoirs and their contribution to plasmid spread await experimental demonstration. Here, we asked if re-seeding-plasmid acquisition-invasion cycles by S .Tm could serve to diversify tissue-lodged plasmid reservoirs, and thereby promote plasmid spread. Starting with intraperitoneal mouse infections, we demonstrate that S .Tm cells re-seeding the gut lumen initiate clonal expansion. ESBL plasmid-encoded gut luminal antibiotic degradation by donors can foster recipient survival under beta-lactam antibiotic treatment, enhancing transconjugant formation upon re-seeding. S .Tm transconjugants can subsequently re-enter host tissues introducing the new plasmid into the tissue-lodged reservoir. Population dynamics analyses pinpoint recipient migration into the gut lumen as rate-limiting for plasmid transfer dynamics in our model. Priority effects may be a limiting factor for reservoir formation in host tissues. Overall, our proof-of-principle data indicates that luminal antibiotic degradation and shuttling between the gut lumen and tissue-resident reservoirs can promote the accumulation and spread of plasmids within a host over time.