Abstract A hospital outbreak of carbapenem-resistant Enterobacteriales was detected by routine surveillance. Whole genome sequencing and subsequent analysis revealed a conserved promiscuous OXA-48 carrying plasmid as the defining factor within this outbreak. Four different species of Enterobacteriales were involved in the outbreak. Escherichia coli ST399 accounted for 20/55 of all the isolates. Comparative genomics with publicly available E. coli ST399 sequence data showed that the outbreak isolates formed a unique clade. The OXA-48 plasmid identified in the outbreak differed from other known plasmids by an estimated five homologous recombination events. We estimated a lower bound to the plasmid conjugation rate to be 0.23 conjugation events per lineage per year. Our analysis suggests co-evolution between the plasmid and its main bacterial host to be a key driver of the outbreak. This is the first study to report carbapenem-resistant E. coli ST399 carrying OXA48 as the main cause of a plasmid-borne outbreak within a hospital setting. This study supports complementary roles for both plasmid conjugation and clonal expansion in the emergence of this outbreak.

Abstract The pan-genome is defined as the combined set of all genes in the gene pool of a species. Pan-genome analyses have been very useful in helping to understand different evolutionary dynamics of bacterial species: an open pan-genome often indicates a free-living lifestyle with metabolic versatility, while closed pan-genomes are linked to host-restricted, ecologically specialised bacteria. A detailed understanding of the species pan-genome has also been instrumental in tracking the phylodynamics of emerging drug resistance mechanisms and drug resistant pathogens. However, current approaches to analyse a species’ pan-genome do not take the species population structure into account, nor do they account for the uneven sampling of different lineages, as is commonplace due to over-sampling of clinically relevant representatives. Here we present the application of a population structure-aware approach for classifying genes in a pan-genome based on within-species distribution. We demonstrate our approach on a collection of 7,500 E. coli genomes, one of the most-studied bacterial species used as a model for an open pan-genome. We reveal clearly distinct groups of genes, clustered by different underlying evolutionary dynamics, and provide a more biologically informed and accurate description of the species’ pan-genome.

ABSTRACT The alphaproteobacterial family Rhizobiaceae is highly diverse, with 168 species with validly published names classified into 17 genera with validly published names. Most named genera in this family are delineated based on genomic relatedness and phylogenetic relationships, but some historically named genera show inconsistent distribution and phylogenetic breadth. Most problematic is Rhizobium , which is notorious for being highly paraphyletic, as most newly described species in the family being assigned to this genus without consideration for their proximity to existing genera, or the need to create novel genera. In addition, many Rhizobiaceae genera lack synapomorphic traits that would give them biological and ecological significance. We propose a common framework for genus delimitation within the family Rhizobiaceae . We propose that genera in this family should be defined as monophyletic groups in a core-genome gene phylogeny, that are separated from related species using a pairwise core-proteome average amino acid identity (cpAAI) threshold of approximately 86%. We further propose that the presence of additional genomic or phenotypic evidence can justify the division of species into separate genera even if they all share greater than 86% cpAAI. Applying this framework, we propose to reclassify Rhizobium rhizosphaerae and Rhizobium oryzae into the new genus Xaviernesmea gen. nov. Data is also provided to support the recently proposed genus “ Peteryoungia ”, and the reclassifications of Rhizobium yantingense as Endobacterium yantingense comb. nov., Rhizobium petrolearium as Neorhizobium petrolearium comb. nov., Rhizobium arenae as Pararhizobium arenae comb. nov., Rhizobium tarimense as Pseudorhizobium tarimense comb. nov., and Rhizobium azooxidefex as Mycoplana azooxidifex comb. nov. Lastly, we present arguments that the unification of the genera Ensifer and Sinorhizobium in Opinion 84 of the Judicial Commission is no longer justified by current genomic and phenotypic data. We thus argue that the genus Sinorhizobium is not illegitimate and now encompasses 17 species.

Abstract The humanitarian crisis in Yemen led in 2016 to the biggest cholera outbreak documented in modern history, with more than 2.5 million suspected cases to date. In late 2018, epidemiological surveillance showed that V. cholerae isolated from cholera patients had turned multi-drug resistant (MDR). We generated genomes from 260 isolates sampled in Yemen between 2018 and 2019 to identify a possible shift in circulating genotypes. 84% of V. cholerae isolates were serogroup O1 belonging to the seventh pandemic El Tor (7PET) lineage, sublineage T13 – same as in 2016 and 2017 – while the remaining 16% of strains were non-toxigenic and belonged to divergent V. cholerae lineages, likely reflecting sporadic gut colonisation by endemic strains. Phylogenomic analysis reveals a succession of T13 clones, with 2019 dominated by a clone that carried an IncC-type plasmid harbouring an MDR pseudo-compound transposon (PCT). Identical copies of these mobile elements were found independently in several unrelated lineages, suggesting exchange and recombination between endemic and epidemic strains. Treatment of severe cholera patients with macrolides in Yemen from 2016 to early 2019 coincides with the emergence of the plasmid-carrying T13 clone. The unprecedented success of this genotype where an SXT-family integrative and conjugative element (SXT/ICE) and an IncC plasmid coinhabit show the stability of this MDR plasmid in the 7PET background, which may durably reduce options for epidemic cholera case management. We advocate a heightened genomic epidemiology surveillance of cholera to help control the spread of this highly-transmissible, MDR clone.

The characterization of functional elements in genomes relies on the identification of the footprints of natural selection. In this quest, taking into account neutral evolutionary processes such as mutation and genetic drift is crucial because these forces can generate patterns that may obscure or mimic signatures of selection. In mammals, and probably in many eukaryotes, another such confounding factor called GC-Biased Gene Conversion (gBGC) has been documented. This mechanism generates patterns identical to what is expected under selection for higher GC-content, specifically in highly recombining genomic regions. Recent results have suggested that a mysterious selective force favouring higher GC-content exists in Bacteria but the possibility that it could be gBGC has been excluded. Here, we show that gBGC is probably at work in most if not all bacterial species. First we find a consistent positive relationship between the GC-content of a gene and evidence of intra-genic recombination throughout a broad spectrum of bacterial clades. Second, we show that the evolutionary force responsible for this pattern is acting independently from selection on codon usage, and could potentially interfere with selection in favor of optimal AU-ending codons. A comparison with data from human populations shows that the intensity of gBGC in Bacteria is comparable to what has been reported in mammals. We propose that gBGC is not restricted to sexual Eukaryotes but also widespread among Bacteria and could therefore be an ancestral feature of cellular organisms. We argue that if gBGC occurs in bacteria, it can account for previously unexplained observations, such as the apparent non-equilibrium of base substitution patterns and the heterogeneity of gene composition within bacterial genomes. Because gBGC produces patterns similar to positive selection, it is essential to take this process into account when studying the evolutionary forces at work in bacterial genomes.

Bacterial capsules and lipopolysaccharides are diverse surface polysaccharides (SPs) that serve as the frontline for interactions with the outside world. While SPs can evolve rapidly, their diversity and evolutionary dynamics across different taxonomic scales has not been investigated in detail. Here, we focused on the bacterial order Enterobacteriales (including the medically-relevant Enterobacteriaceae), to carry out comparative genomics of two SP locus synthesis regions, cps and kps , using 27,334 genomes from 45 genera. We identified high-quality cps loci in 22 genera and kps in 11 genera, around 4% of which were detected in multiple species. We found SP loci to be highly dynamic genetic entities: their evolution was driven by high rates of horizontal gene transfer (HGT), both of whole loci and component genes, and relaxed purifying selection, yielding large repertoires of SP diversity. In spite of that, we found the presence of (near-)identical locus structures in distant taxonomic backgrounds that could not be explained by recent exchange, pointing to long-term selective preservation of locus structures in some populations. Our results reveal differences in evolutionary dynamics driving SP diversity within different bacterial species, with lineages of Escherichia coli , Enterobacter hormachei and Klebsiella aerogenes most likely to share SP loci via recent exchange; and lineages of Salmonella enterica , Citrobacter sakazakii and Serratia marcescens most likely to share SP loci via other mechanisms such as long-term preservation. Overall, the evolution of SP loci in Enterobacteriales is driven by a range of evolutionary forces and their dynamics and relative importance varies between different species.

The family Rhizobiaceae includes many genera of soil bacteria, often isolated for their association with plants. Herein, we investigate the genomic diversity of a group of Rhizobium species and unclassified strains isolated from atypical environments, including seawater, rock matrix or polluted soil. Based on whole-genome similarity and core genome phylogeny, we show that they belong to the genus Pseudorhizobium . We thus reclassify Rhizobium halotolerans, R. marinum, R. flavum and R. endolithicum as P. halotolerans comb. nov., P. marinum comb. nov., P. flavum comb. nov. and R. endolithicum comb. nov., respectively, and show that P. pelagicum is a synonym of P. marinum . We also delineate a new chemolithoautotroph species, P. banfieldii sp. nov., whose type strain is NT-26T (= DSM 106348T = CFBP 8663T). This genome-based classification was independently supported by a chemotaxonomic comparison, with gradual taxonomic resolution provided by fatty acid, protein and metabolic profiles. In addition, we used a phylogenetic approach to infer scenarios of duplication, horizontal transfer and loss for all genes in the Pseudorhizobium pangenome. We thus identify the key functions associated with the diversification of each species and higher clades, shedding light on the mechanisms of adaptation to their respective ecological niches. Respiratory proteins acquired at the origin of Pseudorhizobium are combined with clade-specific genes to encode different strategies for detoxification and nutrition in harsh, nutrient-poor environments. Finally, we predict diagnostic phenotypes for the distinction of P. banfieldii from other Pseudorhizobium species, including autotrophy and sensitivity to the azo dye Congo Red, which we experimentally validated.

The availability of bacterial pangenome data grows exponentially, requiring efficient new methods of analysis. Currently popular approaches for the fast comparison of genomes have the drawback of not being based on explicit evolutionary models of diversification. Making sense of bacterial genome evolution, and notably in the accessory genome, requires however to take into account the complex processes by which the genomes evolve. Here we present the Pantagruel bioinformatic software pipeline, which enables the construction of a complete bacterial pangenome database geared towards the inference of gene evolution scenarios using gene tree/species tree reconciliation. Pantagruel is a modular pipeline that combines state-of-the-art external software with unique new methods. It can be executed with no supervision to perform a standard pangenome analysis, or be configured by advanced users to integrate methods of choice. A relational database underlies its data structure, allowing efficient retrieval of the large-scale data generated by integrative analyses of pangenome evolutionary history. From the reconstructed gene evolution scenarios, two main outputs are derived: firstly the gene tree-aware assignation of orthology, allowing the fine analysis of gene gain and loss history over the species phylogeny, and secondly a network of gene-to-gene association based on correlated events in scenarios of gene evolution, leading to the definition of co-evolved gene modules. Pantagruel is available as an open source software package at .

Herpes Simplex Virus type 1 (HSV-1) chronically infects over 70% of the global population. Clinical manifestations are largely restricted to recurrent epidermal vesicles. However, HSV-1 also leads to encephalitis, the infection of the brain parenchyma, with high associated rates of mortality and morbidity. In this study, we performed target enrichment followed by direct sequencing of HSV-1 genomes, using target enrichment methods on the cerebrospinal fluid (CSF) of clinical encephalitis patients and from skin swabs of epidermal vesicles on non encephalopathic patients. Phylogenetic analysis revealed high inter-host diversity and little population structure. By contrast, samples from different lesions in the same patient clustered with similar patterns of allelic variants. Comparison of consensus genome sequences shows HSV-1 has been freely recombining, except for distinct islands of linkage disequilibrium (LD). This suggests functional constraints prevent recombination between certain genes, notably those encoding pairs of interacting proteins. Distinct LD patterns characterised subsets of viruses recovered from CSF and skin lesions, which may reflect different evolutionary constraints in different body compartments. Functions of genes under differential constraint related to immunity or tropism and provide new hypotheses on tissue-specific mechanisms of viral infection and latency.

Horizontal gene transfer (HGT) is considered as a major source of innovation in bacteria, and as such is expected to drive adaptation to new ecological niches. However, among the many genes acquired through HGT along the diversification history of genomes, only a fraction may have actively contributed to sustained ecological adaptation. We used a phylogenetic approach accounting for the transfer of genes (or groups of genes) to estimate the history of genomes in Agrobacterium biovar 1, a diverse group of soil and plant-dwelling bacterial species. We identified clade-specific blocks of co-transferred genes encoding coherent biochemical pathways that may have contributed to the evolutionary success of key Agrobacterium clades. This pattern of gene co-evolution rejects a neutral model of transfer, in which neighbouring genes would be transferred independently of their function and rather suggests purifying selection on collectively coded acquired pathways. The acquisition of these synapomorphic blocks of co-functioning genes probably drove the ecological diversification of Agrobacterium and defined features of ancestral ecological niches, which consistently hint at a strong selective role of host plant rhizospheres.