La genomica comparativa svela un'ampia variazione genomica tra le popolazioni delle specie Listeria in natura e negli alimenti

Comunicazioni ISME volume 3, articolo numero: 85 (2023) Citare questo articolo

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Comprendere la variazione genomica batterica legata ad ambienti distinti può fornire nuove informazioni sui meccanismi alla base dell’adattamento differenziale e della trasmissione dei microbi attraverso gli ambienti. Ottenere tali informazioni è particolarmente cruciale per gli agenti patogeni poiché avvantaggia la sorveglianza sanitaria pubblica. Tuttavia, la comprensione della variazione genomica batterica è limitata dalla scarsità di indagini sulla variazione genomica abbinata a diversi contesti ecologici. Per affrontare questa limitazione, ci siamo concentrati su Listeria, un genere batterico importante per la sicurezza alimentare che include il patogeno umano L. monocytogenes, e abbiamo analizzato un set di dati genomici su larga scala da noi raccolto da ambienti naturali e associati agli alimenti negli Stati Uniti. Attraverso analisi genomiche comparative su 449 isolati dal suolo e 390 isolati da acque agricole e impianti di lavorazione dei prodotti che rappresentano L. monocytogenes, L. seeligeri, L. innocua e L. welshimeri, scopriamo che i profili genomici differiscono fortemente a seconda degli ambienti all'interno di ciascun specie. Ciò è supportato dalle sottocladi associate all’ambiente e dalla presenza differenziale di plasmidi, isole di stress e geni accessori coinvolti nella biogenesi dell’involucro cellulare e nel trasporto e metabolismo dei carboidrati. I genomi principali delle specie Listeria sono anche fortemente associati agli ambienti e possono prevedere con precisione le fonti di isolamento a livello di lignaggio in L. monocytogenes utilizzando l'apprendimento automatico. Troviamo che la grande variazione genomica associata all’ambiente nella Listeria sembra essere guidata congiuntamente dalle proprietà del suolo, dal clima, dall’uso del suolo e dalle specie batteriche di accompagnamento, che rappresentano principalmente Actinobacteria e Proteobacteria. Collettivamente, i nostri dati suggeriscono che le popolazioni delle specie Listeria si sono adattate geneticamente a diversi ambienti, il che potrebbe limitare la loro trasmissione dagli ambienti naturali a quelli associati al cibo.

I genomi batterici, inclusi sia i genomi core (geni presenti in tutti gli individui) che i genomi accessori (geni non condivisi da tutti gli individui), possono essere altamente versatili all’interno delle specie a causa dell’aumento e della perdita di geni e della ricombinazione omologa mediata dalla selezione e dispersione ambientale [1, 2,3,4]. Tale variazione genomica consente alle specie batteriche (per lo più batteri non patogeni) di vivere in un’ampia gamma di dimensioni ecologiche, comprese condizioni ambientali con diverse fonti di carbonio e nutrienti inorganici [5]. Mentre alcuni agenti patogeni umani (ad esempio, Bacillus anthracis, Clostridium spp., Listeria monocytogenes, Yersinia pestis, Burkholderia pseudomallei e Francisella tularensis) possono sopravvivere anche in ambienti naturali [6], la nostra comprensione della loro variazione genomica nei diversi ambienti è limitata a causa di una mancanza di indagini approfondite in ambienti naturali rispetto agli ambienti associati all'uomo [7,8,9]. Si tratta di un’occasione mancata per migliorare la comprensione dei meccanismi ecologici alla base dell’adattamento degli agenti patogeni agli ambienti non umani e per informare meglio la sorveglianza sanitaria pubblica sulle malattie infettive, ad esempio deducendo la probabilità che i ceppi si trasmettano dagli ambienti naturali agli ambienti associati all’uomo. .

Listeria, un genere batterico Gram-positivo, anaerobico facoltativo e non sporigeno, vitale per la sicurezza alimentare, offre l’opportunità di studiare la variazione genomica tra gli ambienti naturali e quelli associati all’uomo nei batteri importanti per la salute pubblica. I membri di Listeria sono ampiamente distribuiti negli ambienti naturali, nonché nel suolo agricolo, nell'acqua e negli impianti di lavorazione degli alimenti [10,11,12]. Due specie di Listeria: L. monocytogenes e L. ivanovii – sono considerati patogeni facoltativi. Mentre altre specie non sono patogene [13], queste specie (ad esempio, L. seeligeri, L. innocua e L. welshimeri) vengono spesso testate nell'industria alimentare perché considerate prove di condizioni che possono facilitare la contaminazione da L. monocytogenes [14, 15]. Lo studio della variazione genomica delle specie Listeria può quindi fornire informazioni sulla sua trasmissione dagli ambienti naturali agli ambienti e agli alimenti associati agli alimenti, il che è particolarmente importante per prodotti alimentari come i prodotti freschi, dove vengono utilizzate fasi di non uccisione per agenti patogeni inattivi che sarebbero introdotto in qualsiasi punto della catena alimentare.

0.8 and no premature stop codon was present, (ii) putative non-functional when 0.3 ≤ coverage <0.8 or premature stop codon was present, and iii) absent when no hits were observed in BLASTN or coverage was <0.3. A coverage of 0.3 and 0.8 was chosen as the cutoffs because (i) the multi-domain structure of proteins is most likely preserved when using a coverage of 0.8 [33], and (ii) at least 0.3 or less query coverage has been recommended to identify genes that span contigs and/or touch gaps [34]. When calculating the presence/prevalence of a given gene across genomes, only putative functional genes are included in the calculation./p>0.2 or <−0.2 with each Listeria taxon were defined as bacterial taxa that tend to have similar and dissimilar habitat preferences, respectively; these species were included in the co-occurrence network analysis. Networks of co-occurring bacterial species for each Listeria taxon were constructed using ggraph in R 3.6.0./p>70% are indicated by gray circles on the bifurcation nodes. The tree was rooted by the midpoint. Branches are color-coded by L. monocytogenes lineages. The tree is annotated by the presence/absence of virulence genes. The presence/absence gene matrices from the inner to the outer represent (i) genes located in the pathogenicity islands LIPI-1 (prfA, plcA, hly, mpl, actA, plcB), (ii) genes coding for internalins (inlABCEFGHJKIP), and (iii) genes located in the pathogenicity islands LIPI-3 (llsAGHXBYDP) and LIPI-4 (LM9005581_70009 to LM9005581_70014). A filled box represents the presence of a putative functional gene; an empty box represents a non-functional gene (i.e., being truncated or having premature stop codons); and a white box represents the absence of the gene. b Histograms showing the distribution of cgMLST allelic mismatches between isolates from soil and produce processing facilities (food plant) for L. monocytogenes (LM) lineage I (red), II (blue), and III (yellow). c ROC and PR curves for binary classifiers trained on cgMLST allelic profiles of LM lineage I, II, and III isolates. auROC: area under the curve of the receiver operating characteristic, auPR: area under the curve of precision-recall. Maximum likelihood phylogenetic tree of (d) L. innocua, (e) L. welshimeri, and (f) L. seeligeri based on the core SNPs of isolates of each species; isolates were obtained from soil, agricultural (ag.) water, and produce processing facilities (“food plant”). Trees were constructed based on 1000 bootstrap repetitions and were rooted by midpoint. Labels of isolates are color-coded by sources. Bootstrap values >70% are indicated by gray circles on the bifurcation nodes./p>2 (black dashed line) indicates that the COG category is significantly enriched (P < 0.05). The size of the circle is in proportion to the logarithm of the number of genes annotated as one COG category./p> 0.5; Fig. S8, Table S11). Many of these plasmid-correlated genes were annotated with functions involved in replication, such as resolvase and recombinase, and a few were involved in metal resistance (e.g., arsenic resistance operon repressor) (Table S11). Of note, a total of nine plasmid groups were detected, including rep13, rep25, rep26, rep32, rep33, rep35, rep7a, repUS25, and repUS43. To infer potential horizontal transfer of plasmids across environments and across species, we constructed a gene tree for each of the four plasmid groups that harbored by more than three genomes (rep25, rep26, repUS25, and repUS43). We found that the largest plasmid group, repUS25, was predominately present in soil isolates (81% out of 84 isolates) and exhibited two major clades with a mixture of isolates from both soil and food-associated environments and all four species, L. monocytogenes, L. seeligeri, L. welshimeri, and L. innocua (Fig. 3c). The plasmid group repUS43 was predominately present in isolates from food-associated environments (91% out of 11 isolates) and was exclusively detected in L. innocua (Fig. 3d). The plasmid group rep25 was also predominately present in isolates from food-associated environment (97% out of 29 isolates) and exhibit two major clades with a mixture of L. innocua and L. monocytogenes lineage II isolates (Fig. 3e). The plasmid group rep26 was exclusively found in isolates from food processing facilities and formed two major clades, one with L. welshimeri and L. inncoua isolates and the other with L. monocytogenes lineage II and L. welshimeri (Fig. 3f). These results suggest that plasmid groups are strongly associated with isolation sources and some plasmids (e.g., repUS25, rep25) may transfer across environments and species in Listeria./p>20% impervious cover. b Variable importance in predicting the ANI of isolates for LM, LM lineage II, L. seeligeri, and L. innocua based on % Inc MSE index in a random forest model. Abiotic variables on the y-axis are sorted in ascending order based on the median % Inc MSE value of 1000 repetitions. “spatial” indicates geographic distance. Minimum and maximum values are depicted by short vertical lines of whiskers; the box signifies the upper and lower quartiles, and the short line within the box signifies the median. Points above and below the whiskers indicate outliers. Boxes and whiskers are color-coded by ecological variable groups. c Network of co-occurring bacterial species and LM, L. seeligeri, L. innocua, and L. welshimeri. Each node stands for a bacterial species that had a Phi correlation coefficient (r) > 0.2 or < −0.2 with one Listeria species. Nodes representing Listeria species are in black (these data are based on culture data generated, not 16 S amplicon sequencing data), and other nodes representing co-occurring bacterial species are color-coded by phylum. An edge stands for the Phi correlation with an r > 0.2 or < −0.2 between the two nodes. The thickness of the edge is in proportion to the absolute value of the Phi correlation r. An orange edge represents a positive correlation, while a gray edge represents a negative correlation./p> 0.2; Table S13). A large proportion of the species positively correlated with L. monocytogenes and L. innocua (41% and 50%, respectively) was classified into the phylum Proteobacteria, including the families Hyphomicrobiaceae and Rickettsiaceae; 29% of the species positively correlated with L. seeligeri were classified into the phylum Planctomycetes, including the family Pirellulaceae; and 33% of the species positively correlated with L. welshimeri were classified into the phylum Actinobacteria, including the family Pseudonocardiaceae (Fig. 4c, Table S13). These positively correlated species may occupy similar habitats as these Listeria species./p> 0.2 and r < −0.2, respectively; Fig. S10, Table S13). These negatively correlated bacterial species may prefer different or distinct habitats than these Listeria taxa. In summary, we propose that certain Proteobacteria and Actinobacteria species are taxa of interest that might pose selective pressures on Listeria and contribute to its genome evolution in the soil environment./p>