Abstract Sublineages within microbial species can differ widely in their ecology and pathogenicity, and their precise definition is important in basic research and industrial or public health applications. Whereas the classification and naming of prokaryotes is unified at the species level and higher taxonomic ranks, universally accepted definitions of sublineages within species are largely missing, which introduces confusion in population biology and epidemiological surveillance. Here we propose a broadly applicable genomic classification and nomenclature approach for bacterial strains, using the prominent public health threat Klebsiella pneumoniae as a model. Based on a 629-gene core genome multilocus sequence typing (cgMLST) scheme, we devised a dual barcoding system that combines multilevel single linkage (MLSL) clustering and life identification numbers (LIN). Phylogenetic and clustering analyses of >7,000 genome sequences captured population structure discontinuities, which were used to guide the definition of 10 infra-specific genetic dissimilarity thresholds. The widely used 7-gene multilocus sequence typing (MLST) nomenclature was mapped onto MLSL sublineages (threshold: 190 allelic mismatches) and clonal group (threshold: 43) identifiers for backwards nomenclature compatibility. The taxonomy is publicly accessible through a community-curated platform ( https://bigsdb.pasteur.fr/klebsiella ), which also enables external users’ genomic sequences identification. The proposed strain taxonomy combines two phylogenetically informative barcodes systems that provide full stability (LIN codes) and nomenclatural continuity with previous nomenclature (MLSL). This species-specific dual barcoding strategy for the genomic taxonomy of microbial strains is broadly applicable and should contribute to unify global and cross-sector collaborative knowledge on the emergence and microevolution of bacterial pathogens.

Abstract As microbial genomics makes increasingly important contributions to clinical and public health microbiology, the interpretation of whole genome sequence data by non-specialists becomes essential. In the absence of capsule-based vaccines, two protein-based vaccines have been used for the prevention of invasive serogroup B meningococcal disease (IMD), since their licensure in 2013/14. These vaccines have different components and different coverage of meningococcal variants. Hence, decisions regarding which vaccine to use in managing serogroup B IMD outbreaks require information about the index case isolate including: (i) the presence of particular vaccine antigen variants; (ii) the expression of vaccine antigens; and (iii) the likely susceptibility of its antigen variants to antibody-dependent bactericidal killing. To obtain this information requires a multitude of laboratory assays, impractical in real-time clinical settings, where the information is most urgently needed. To facilitate assessment for public health and clinical purposes, we synthesised genomic and experimental data from published sources to develop and implement the ‘Meningococcal Deduced Vaccine Antigen Reactivity’ (MenDeVAR) Index, which is publicly-available on PubMLST ( https://pubmlst.org ). Using whole genome sequences or individual gene sequences obtained from IMD isolates or clinical specimens, MenDeVAR provides rapid evidence-based information on the presence and possible immunological cross-reactivity of different meningococcal vaccine antigen variants. The MenDeVAR Index enables practitioners who are not genomics specialists to assess the likely reactivity of vaccines for individual cases, outbreak management, or the assessment of public health vaccine programmes. MenDeVAR has been developed in consultation with, but independently of, both vaccine manufacturers.

Abstract Antimicrobial resistance in Neisseria gonorrhoeae is a global health concern. Strains from two internationally circulating sequence types, ST-7363 and ST-1901, have acquired resistance to treatment with third-generation cephalosporins mainly due to the emergence of mosaic penA alleles. These two STs were first detected in Japan; however, when and how the mosaic penA alleles emerged and spread to other countries remains unknown. Here, we addressed the evolution of penA alleles by obtaining complete genomes from three Japanese ST-1901 clinical isolates harboring mosaic penA allele 34 ( penA- 34) dating from 2005 and generating a phylogenetic representation of 1,075 strains sampled from 37 countries. We also sequenced the genomes of 103 Japanese ST-7363 N. gonorrhoeae isolates from 1996-2005 and reconstructed a phylogeny including 88 previously sequenced genomes. Based on an estimate of the time of emergence of ST-1901 harboring mosaic penA-34 and ST-7363 harboring mosaic penA -10, and >300 additional genome sequences of Japanese strains representing multiple STs isolated in 1996-2015, we suggest that penA -34 in ST-1901 was generated from penA -10 via recombination with another Neisseria species, followed by a second recombination event with a gonococcal strain harboring wildtype penA -1. Following the acquisition of penA -10 in ST-7363, a dominant sub-lineage rapidly acquired fluoroquinolone resistance mutations at GyrA 95 and ParC 87-88, possibly due to independent mutations rather than horizontal gene transfer. Literature data suggest the emergence of these resistance determinants may reflect selection from the standard treatment regimens in Japan at that time. Our findings highlight how recombination and antibiotic use across and within Neisseria species intersect in driving the emergence and spread of drug-resistant gonorrhea. Author summary Antimicrobial resistance is recognized as one of the greatest threats to human health, and Neisseria gonorrhoeae resistance is classified as one of the most urgent. The two major internationally spreading lineages resistant. to first line drugs likely originated in Japan, but when and how their genetic resistance determinants emerged remain unknown. In this study, we conducted an evolutionary analysis using clinical N. gonorrhoeae isolates from 37 countries, including a historical collection of Japanese isolates, to investigate the emergence of resistance in each of the two major lineages. We showed that the penA allele responsible for resistance to cephalosporins, the first-line treatment for gonorrhea, was possibly generated by two recombination events, one from another Neisseria species and one from another N. gonorrhoeae lineage. We also showed that mutations responsible for resistance to a previously widely used antibiotic treatment occurred twice independently in one of the two major lineages. The emergence of the genetic resistance determinants potentially reflects selection from the standard treatment regimen at that time. Our findings highlight how recombination (horizontal gene transfer) and antibiotic use across and within a bacterial species intersect in driving the emergence and spread of antimicrobial resistance genes and mutations.

Abstract Horizontal gene transfer (HGT) can allow traits that have evolved in one bacterial species to transfer to another. This has potential to rapidly promote new adaptive trajectories such as zoonotic transfer or antimicrobial resistance. However, for this to occur requires gaps to align in barriers to recombination within a given time frame. Chief among these barriers is the physical separation of species with distinct ecologies in separate niches. Within the genus Campylobacter there are species with divergent ecologies, from rarely isolated single host specialists to multi-host generalist species that are among the most common global causes of human bacterial gastroenteritis. Here, by characterising these contrasting ecologies, we can quantify HGT among sympatric and allopatric species in natural populations. Analysing recipient and donor population ancestry among genomes from 30 Campylobacter species we show that cohabitation in the same host can lead to a 6-fold increase in HGT between species. This accounts for up to 30% of all SNPs within a given species and identifies highly recombinogenic genes with functions including host adaptation and antimicrobial resistance. As described in some animal and plant species, ecological factors are a major evolutionary force for speciation in bacteria and changes to the host landscape can promote partial convergence of distinct species through HGT.

The routine identification of pathogens during infection remains challenging because it relies on multiple modalities such as culture and nucleic acid amplification and tests that tend to be specific for very few of an enormous number of possible infectious agents. Metagenomics promises single-test identification, but shotgun sequencing remains unwieldy and expensive or in many cases insufficiently sensitive to detect the amount of pathogen material in a clinical sample. Here we present the validation and application of Castanet, a method for metagenomic sequencing with enrichment that exploits clinical knowledge to construct a broad panel of relevant organisms for detection at low cost with sensitivity comparable to PCR. Castanet targets both DNA and RNA, works with small sample volumes, and can be implemented in a high-throughput diagnostic setting. We used Castanet to analyse plasma samples from 573 patients from the GAinS sepsis cohort and CSF samples from 243 patients from the ChiMES meningitis cohort that had been evaluated using standard clinical microbiology methods, identifying relevant pathogens in many cases where no pathogen had previously been detected. Castanet is intended for use in defining the distribution of pathogens in samples, diseases and populations, for large-scale clinical studies and for verifying the performance of routine testing regimens. By providing sequence as output, Castanet combines pathogen identification directly with subtyping and phylo-epidemiology.

Reference and type strains of well-known bacteria have been a cornerstone of microbiology research for decades. The sharing of well-characterised isolates between laboratories has parallelised research efforts and enhanced the reproducibility of experiments, leading to a wealth of knowledge about trait variation in different species and the genetics that underpins it. Campylobacter jejuni strain NCTC11168, deposited at the National Collection of Type Cultures in 1977, has been widely adopted as a reference strain by researchers worldwide and was the first Campylobacter for which the complete genome was published (in 2000). In this study, we collected 23 C. jejuni NCTC11168 reference isolates from laboratories across the UK and compared variation in simple laboratory phenotypes with genetic variation in sequenced genomes. Putatively identical isolates previously identified to have aberrant phenotypes varied by up to 281 SNPs (in 15 genes) compared to the most recent reference strain. Isolates also display considerable phenotype variation in motility, morphology, growth at 37oC, invasion of chicken and human cell lines and susceptibility to ampicillin. This study provides evidence of ongoing evolutionary change among C. jejuni isolates as they are cultured in different laboratories and highlights the need for careful consideration of genetic variation within laboratory reference strains.

Background: Understanding the structure of a bacterial population is essential in order to understand bacterial evolution, or which genetic lineages cause disease, or the consequences of perturbations to the bacterial population. Estimating the core genome, the genes common to all or nearly all strains of a species, is an essential component of such analyses. The size and composition of the core genome varies by dataset, but our hypothesis was that variation between different collections of the same bacterial species should be minimal. To test this, the genome sequences of 3,121 pneumococci recovered from healthy individuals in Reykjavik (Iceland), Southampton (United Kingdom), Boston (USA) and Maela (Thailand) were analysed. Results: The analyses revealed a supercore genome (genes shared by all 3,121 pneumococci) of only 303 genes, although 461 additional core genes were shared by pneumococci from Reykjavik, Southampton and Boston. Overall, the size and composition of the core genomes and pan-genomes among pneumococci recovered in Reykjavik, Southampton and Boston were very similar, but pneumococci from Maela were distinctly different. Inspection of the pan-genome of Maela pneumococci revealed several >25 Kb sequence regions that were homologous to genomic regions found in other bacterial species. Conclusions: Some subsets of the global pneumococcal population are highly heterogeneous and thus our hypothesis was rejected. This is an essential point of consideration before generalising the findings from a single dataset to the wider pneumococcal population.

Streptococcus agalactiae (Group B streptococcus, GBS) is a coloniser of the gastrointestinal and urogenital tracts, and an opportunistic pathogen of infants and adults. The worldwide population of GBS is characterised by Clonal Complexes (CCs) with different invasive potentials. CC17 for example, is a hypervirulent lineage commonly associated with neonatal sepsis and meningitis, while CC1 is less invasive in neonates and more commonly causes invasive disease in adults with co-morbidities. The genetic basis of GBS virulence and to what extent different CCs have adapted to different host environments remain uncertain. We have therefore applied a pan-genome wide association study approach to 1988 GBS strains isolated from different hosts and countries. Our analysis identified 279 CC-specific genes associated with virulence, disease, metabolism and regulation of cellular mechanisms that may explain the differential virulence potential of particular CCs. In CC17 and CC23 for example, we have identified genes encoding for pilus, quorum sensing proteins, and proteins for the uptake of ions and micronutrients which are absent in less invasive lineages. Moreover, in CC17, carriage and disease strains were distinguished by the allelic variants of 21 of these CC-specific genes. Together our data highlight the lineage-specific basis of GBS niche adaptation and virulence, and suggest that human-associated GBS CCs have largely evolved in animal hosts before crossing to the humans and then spreading clonally.

Background: Serogroup B invasive meningococcal disease (IMD) is increasing in China, little is known however, about these meningococci. This study characterises a collection of isolates associated with IMD and carriage in Shanghai and assesses current vaccine strategies. Methods: IMD epidemiological data in Shanghai from 1950 to 2016 were obtained from the National Notifiable Diseases Registry System, with 460 isolates collected for analysis including, 169 from IMD and 291 from carriage. Serogroup B meningococcal (MenB) vaccine coverage was evaluated using Bexsero((R)) Antigen Sequence Type (BAST). Results: Seven IMD epidemic periods have been observed in Shanghai since 1950, with incidence peaking from February to April. Analyses were divided according to the period of meningococcal polysaccharide vaccine (MPV) introduction: (i) pre-MPV A, 1965-1980; (ii) post-MPV-A, 1981-2008; and (iii) post-MPV-A+C, 2009-2016. IMD incidence decreased from 55.4/100,000 to 0.71 then to 0.02, and corresponded with shifts from serogroup A ST-5 complex (MenA:cc5) to MenC:cc4821 then MenB:cc4821. MenB IMD became predominant (63.2%) in the post-MPV-A+C period, of which 50% were caused by cc4821, with the highest incidence in infants (0.45/100,000) and a case-fatality rate of 9.5%. IMD was positively correlated with carriage rates. Data indicate that fewer3 than 25% of MenB isolates in the post-MPV-A+C period may be covered by the vaccines Bexsero((R)), Trumenba((R)), or a PorA-based vaccine, NonaMen. Conclusions: A unique IMD epidemiology is found in China, changing periodically from hyperepidemic to low-level endemic disease. MenB IMD now dominates in Shanghai, with isolates harbouring diverse antigenic variants potentially beyond coverage with licenced OMV- and protein-based MenB vaccines.