Abstract Background Shotgun metagenomic sequencing is increasingly popular in taxonomic and resistome-profiling of polymicrobial samples due to its agnostic nature and data versatility. However, caveats include high- cost, sequencing depth/sensitivity trade-offs, and challenging bioinformatic deconvolution. Targeted PCR-based profiling optimises sensitivity and cost-effectiveness, but can only identify prespecified targets and may introduce amplification biases. Ultra-high multiplexed PCR is a potential compromise. As no comprehensive comparative evaluation exists, we evaluated performance of each method in taxonomic/resistome-profiling of a well-defined DNA mock sample and seven “real- world” wastewater samples. Results We tested three sequencing approaches (short-read shotgun metagenomics, Illumina Ampliseq™ ultra-plexed AMR Research Panel, 16S rRNA gene sequencing) with seven bioinformatic pipelines (ResPipe, Illumina DNA Amplicon App, One Codex Metagenomic-/Targeted Loci classification and Ampliseq™ Report, DADA2, and an in-house pipeline for AmpliSeq data [AmpliSeek]). Metagenomics outperformed 16S rRNA gene sequencing in accurately reconstituting a mock taxonomic profile and optimising the identification of diverse wastewater taxa, while 16S rRNA gene sequencing produced more even taxonomic outputs which may be quantitatively inaccurate but enhance detection of low abundance taxa. Shotgun metagenomic and AmpliSeq sequencing performed equally well in profiling AMR genes present in a mock sample, but AmpliSeq identified more genes in more complex, “real-world” samples, likely related to sensitivity of detection at the metagenomic sequencing depth used. Conclusions A complementary sequencing approach employing 16S rRNA gene or shallow-metagenomic sequencing for taxonomic profiling, and the AmpliSeq AMR panel for high-resolution resistome profiling represents a potential lower-cost alternative to deep shotgun sequencing and may also be more sensitive for the detection of low-prevalence AMR genes. However, our evaluation highlights that both the sequencing and bioinformatics approach used can significantly influence results; for AmpliSeq AMR gene profiling, we developed AmpliSeek which outperformed the other pipelines tested and is open source. Sequencing approach and bioinformatic pipeline should be considered in the context of study goals and sample type, with study-specific validation when feasible.

Abstract Analysing the flanking sequences surrounding genes of interest is often highly relevant to understanding the role of mobile genetic elements (MGEs) in horizontal gene transfer, particular for antimicrobial resistance genes. Here, we present Flanker, a Python package which performs alignment-free clustering of gene flanking sequences in a consistent format, allowing investigation of MGEs without prior knowledge of their structure. These clusters, known as ‘flank patterns’, are based on Mash distances, allowing for easy comparison of similarity across sequences. Additionally, Flanker can be flexibly parameterised to finetune outputs by characterising upstream and downstream regions separately and investigating variable lengths of flanking sequence. We apply Flanker to two recent datasets describing plasmid-associated carriage of important carbapenemase genes (blaOXA-48 and blaKPC-2/3) and show that it successfully identifies distinct clusters of flank patterns, including both known and previously uncharacterised structural variants. For example, Flanker identified four Tn4401 profiles that could not be sufficiently characterised using TETyper or MobileElementFinder, demonstrating the utility of Flanker for flanking gene characterisation. Similarly, using a large (n=226) European isolate dataset, we confirm findings from a previous smaller study demonstrating association between Tn1999.2 and bla OXA-48 upregulation and demonstrate 17 flank patterns (compared to the 5 previously identified). More generally the demonstration in this study that flank patterns are associated with to geographical regions and antibiotic susceptibility phenotypes suggests that they may be useful as epidemiological markers. Flanker is freely available under an MIT license at https://github.com/wtmatlock/flanker . Data Summary NCBI accession numbers for all sequencing data used in this study is provided in Supplementary Table 1. The analysis performed in this manuscript can be reproduced in a binder environment provided on the Flanker Github page ( https://github.com/wtmatlock/flanker ).

Abstract Plasmids enable the dissemination of antimicrobial resistance (AMR) in common Enterobacterales pathogens, representing a major public health challenge. However, the extent of plasmid sharing and evolution between Enterobacterales causing human infections and other niches remains unclear, including the emergence of resistance plasmids. Dense, unselected sampling is highly relevant to developing our understanding of plasmid epidemiology and designing appropriate interventions to limit the emergence and dissemination of plasmid-associated AMR. We established a geographically and temporally restricted collection of human bloodstream infection (BSI)-associated, livestock-associated (cattle, pig, poultry, and sheep faeces, farm soils) and wastewater treatment work (WwTW)-associated (influent, effluent, waterways upstream/downstream of effluent outlets) Enterobacterales . Isolates were collected between 2008-2020 from sites <60km apart in Oxfordshire, UK. Pangenome analysis of plasmid clusters revealed shared “backbones”, with phylogenies suggesting an intertwined ecology where well-conserved plasmid backbones carry diverse accessory functions, including AMR genes. Many plasmid “backbones” were seen across species and niches, raising the possibility that plasmid movement between these followed by rapid accessory gene change could be relatively common. Overall, the signature of identical plasmid sharing is likely to be a highly transient one, implying that plasmid movement might be occurring at greater rates than previously estimated, raising a challenge for future genomic One Health studies. Funding This study was funded by the Antimicrobial Resistance Cross-council Initiative supported by the seven research councils and the NIHR, UK.

Abstract Antimicrobial resistance (AMR) gene cassettes comprise an AMR gene flanked by short recombination sites ( attI × attC or attC × attC ). Integrons are genetic elements able to capture, excise, and shuffle these cassettes, providing ‘adaptation on demand’, and can be found on both chromosomes and plasmids. Understanding the patterns of integron diversity may help to understand the epidemiology of AMR genes. As a case study, we examined the clinical resistance gene bla GES-5 , an integron-associated class A carbapenemase first reported in Greece in 2004 and since observed worldwide, which to our knowledge has not been the subject of a previous global analysis. Using a dataset comprising all NCBI contigs containing bla GES-5 ( n = 431), we developed a pangenome graph-based workflow to characterise and cluster the diversity of bla GES-5 -associated integrons. We demonstrate that bla GES-5 -associated integrons on plasmids are different to those on chromosomes. Chromosomal integrons were almost all identified in P. aeruginosa ST235, with a consistent gene cassette content and order. We observed instances where insertion sequence IS 110 disrupted attC sites, which might immobilise the gene cassettes and explain the conserved integron structure despite the presence of intI1 integrase promoters, which would typically facilitate capture or excision and rearrangement. The plasmid-associated integrons were more diverse in their gene cassette content and order, which could be an indication of greater integrase activity and ‘shuffling’ of integrons on plasmids.

Abstract Co-amoxiclav resistance in E. coli is a clinically important phenotype associated with increased mortality. The class A beta-lactamase bla TEM-1 is often carried by co-amoxiclav-resistant pathogens, but exhibits high phenotypic heterogeneity, making genotype-phenotype predictions challenging. We present a curated dataset of n =377 E. coli isolates representing all 8 known phylogroups, where the only acquired beta-lactamase is bla TEM-1 . For all isolates, we generate hybrid assemblies and co-amoxiclav MICs, and for a subset ( n =67/377), bla TEM-1 qPCR expression data. First, we test whether certain E. coli lineages are intrinsically better or worse at expressing bla TEM-1 , for example, due to lineage differences in regulatory systems, which are challenging to directly quantify. Using genotypic features of the isolates ( bla TEM-1 promoter variants and copy number), we develop a hierarchical Bayesian model for bla TEM-1 expression that controls for phylogeny. We establish that bla TEM-1 expression intrinsically varies across the phylogeny, with some lineages (e.g. phylogroups B1 and C, ST12) better at expression than others (e.g. phylogroups E and F, ST372). Next, we test whether phylogenetic variation in expression influences the resistance of the isolates. With a second model, we use genotypic features ( bla TEM-1 promoter variants, copy number, duplications; ampC promoter variants; efflux pump AcrF presence) to predict isolate MIC, again controlling for phylogeny. Lastly, we use a third model to demonstrate that the phylogenetic influence on bla TEM-1 expression causally drives the variation in co-amoxiclav MIC. This underscores the importance of incorporating phylogeny into genotype-phenotype predictions, and the study of resistance more generally.

Abstract IncF plasmids are diverse and of great clinical significance, often carrying genes conferring antimicrobial resistance (AMR) such as extended-spectrum β-lactamases, particularly in Enterobacteriaceae . Organising this plasmid diversity is challenging, and current knowledge is largely based on plasmids from clinical settings. Here, we present a network community analysis of a large survey of IncF plasmids from environmental (influent, effluent, and upstream/downstream waterways surrounding wastewater treatment works) and livestock settings. We use a tractable and scalable methodology to examine the relationship between plasmid metadata and network communities. This reveals how niche (sampling compartment and host genera) partition and shape plasmid diversity. We also perform pangenome-style analyses on network communities. We show that such communities define unique combinations of core genes, with limited overlap. Building plasmid phylogenies based on alignments of these core genes, we demonstrate that plasmid accessory function is closely linked to core gene content. Taken together, our results suggest that stable IncF plasmid backbone structures can persist in environmental settings while allowing dramatic variation in accessory gene content that may be linked to niche adaptation. The recent association of IncF plasmids with AMR likely reflects their suitability for rapid niche adaptation.