1. The evolution of bacterial cell size: the internal diffusion-constraint hypothesis
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Brian J. Enquist, Nathalie Fromin, Roula Jabbour-Zahab, Romain Gallet, Cyrille Violle, Thomas Lenormand, Biologie et Génétique des Interactions Plante-Parasite (UMR BGPI), Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive (CEFE), Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École pratique des hautes études (EPHE)-Université de Montpellier (UM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Université Paul-Valéry - Montpellier 3 (UM3), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), École pratique des hautes études (EPHE), Department of Ecology and Evolutionary Biology (Faculty of Biology), University of Science-Vietnam National Universities, Santa Fe Institute, NSF Macrosystems award : EF-1065861, European Research Council (ERC) Starting Grant Project 'Ecophysiological and biophysical constraints on domestication in crop plants' : ERC-StG-2014-639706-CONSTRAINTS, QuantEvol ERC grant, European Project: 221060, Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-École pratique des hautes études (EPHE), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Paul-Valéry - Montpellier 3 (UPVM)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud]), Université Paris sciences et lettres (PSL), Université Paul-Valéry - Montpellier 3 (UPVM)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-École Pratique des Hautes Études (EPHE), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), and École Pratique des Hautes Études (EPHE)
- Subjects
0301 basic medicine ,[SDV]Life Sciences [q-bio] ,[SDE.MCG]Environmental Sciences/Global Changes ,Population ,Biology ,Microbiology ,Bacterial cell structure ,Cell size ,03 medical and health sciences ,[SDV.EE.ECO]Life Sciences [q-bio]/Ecology, environment/Ecosystems ,Growth rate ,évolution ,Diffusion (business) ,education ,Ecology, Evolution, Behavior and Systematics ,ComputingMilieux_MISCELLANEOUS ,taille cellulaire ,education.field_of_study ,Bacteria ,Ecology ,Biological Evolution ,cell size ,Constraint (information theory) ,030104 developmental biology ,Evolutionary biology ,Cytoplasm ,Original Article ,Evolutionary ecology ,escherichia coli ,[SDE.BE]Environmental Sciences/Biodiversity and Ecology ,cellule bactérienne ,[SDV.EE.IEO]Life Sciences [q-bio]/Ecology, environment/Symbiosis - Abstract
BGPI : équipe 2; Size is one of the most important biological traits influencing organismal ecology and evolution. However, we know little about the drivers of body size evolution in unicellulars. A long-term evolution experiment (Lenski's LTEE) in which Escherichia coli adapts to a simple glucose medium has shown that not only the growth rate and the fitness of the bacterium increase over time but also its cell size. This increase in size contradicts prominent 'external diffusion' theory (EDC) predicting that cell size should have evolved toward smaller cells. Among several scenarios, we propose and test an alternative 'internal diffusion-constraint' (IDC) hypothesis for cell size evolution. A change in cell volume affects metabolite concentrations in the cytoplasm. The IDC states that a higher metabolism can be achieved by a reduction in the molecular traffic time inside of the cell, by increasing its volume. To test this hypothesis, we studied a population from the LTEE. We show that bigger cells with greater growth and CO2 production rates and lower mass-to-volume ratio were selected over time in the LTEE. These results are consistent with the IDC hypothesis. This novel hypothesis offers a promising approach for understanding the evolutionary constraints on cell size.
- Published
- 2017
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