微生物進化の効果は、実験的な宿主媒介の間接選択の効果を支配している

Effects of microbial evolution dominate those of experimental host-mediated indirect selection.

• Jigyasa Arora
• Margaret A Mars Brisbin
• Alexander S Mikheyev

抄録

微生物は動物や植物に遍在的に生息しており、しばしば宿主の表現型に影響を与えている。その結果、遺伝的背景が一定であっても、宿主の表現型はマイクロバイオームの間接的な選択によって進化する可能性があります。マイクロバイオーム工学」は、望ましい宿主形質を達成するための有望な新規アプローチであるが、これまでに数回しか試みられていない。我々は、これまでに知られているミドリバエの発生におけるマイクロバイオームの役割を踏まえて、成長媒体中の微生物を選択することで、より早く閉鎖するバエを進化させることを試みた。4 回の選択サイクルを経て、発育の早いハエの系統に関連する培地を移植することで、無糖飼料と高糖飼料を用いた並行進化実験を行った。各サイクルで、我々は同じ近交個体群から無菌卵を使用し、平均ハエのエクロージョン時間を測定した。最終的には、食事にもよるが、ハエは 7～12 時間早く排卵するようになったが、マイクロバイオーム工学は無作為選択対照群と比較して何の影響もなかった。16S rRNA 遺伝子配列解析の結果、マイクロバイオームは進化しており、特に無糖食では時間の経過とともにシャノンの多様性が増加していることが示された。このように、マイクロバイオームの進化は宿主のエクロージョン時間に影響を与えたが、これらの影響は偶発的なものであった。代わりに、任意の実験的に強制された選択効果は、おそらくメディアへの適応をもたらした、制御されていない微生物の進化によって押しつぶされた。これらの結果は、宿主の表現型に対する選択は、マイクロバイオームに同時に作用している他の選択圧力に打ち勝つのに十分強いものでなければならないことを示唆している。宿主とマイクロバイオームの独立した進化の軌跡は、マイクロバイオーム上での間接的な選択が最終的に宿主の表現型に影響を与える範囲を制限している可能性がある。実験的なマイクロバイオーム工学研究には、独立した微生物の進化を考慮した無作為選択系統が不可欠である。

Microbes ubiquitously inhabit animals and plants, often affecting their host's phenotype. As a result, even in a constant genetic background, the host's phenotype may evolve through indirect selection on the microbiome. 'Microbiome engineering' offers a promising novel approach for attaining desired host traits but has been attempted only a few times. Building on the known role of the microbiome on development in fruit flies, we attempted to evolve earlier-eclosing flies by selecting on microbes in the growth media. We carried out parallel evolution experiments in no- and high-sugar diets by transferring media associated with fast-developing fly lines over the course of four selection cycles. In each cycle, we used sterile eggs from the same inbred population, and assayed mean fly eclosion times. Ultimately, flies eclosed seven to twelve hours earlier, depending on the diet, but microbiome engineering had no effect relative to a random-selection control treatment. 16S rRNA gene sequencing showed that the microbiome did evolve, particularly in the no sugar diet, with an increase in Shannon diversity over time. Thus, while microbiome evolution did affect host eclosion times, these effects were incidental. Instead, any experimentally enforced selection effects were swamped by uncontrolled microbial evolution, likely resulting in its adaptation to the media. These results imply that selection on host phenotypes must be strong enough to overcome other selection pressures simultaneously operating on the microbiome. The independent evolutionary trajectories of the host and the microbiome may limit the extent to which indirect selection on the microbiome can ultimately affect host phenotype. Random-selection lines accounting for independent microbial evolution are essential for experimental microbiome engineering studies.

©2020 Arora et al.