We provide here a comparative genome analysis of ten strains within the Pseudomonas fluorescens group including seven new genomic sequences. These strains exhibit a diverse spectrum of traits involved in biological control and other multitrophic interactions with plants, microbes, and insects. Multilocus sequence analysis placed the strains in three sub-clades, which was reinforced by high levels of synteny, size of core genomes, and relatedness of orthologous genes between strains within a sub-clade. The heterogeneity of the P. fluorescens group was reflected in the large size of its pan-genome, which makes up approximately 54% of the pan-genome of the genus as a whole, and a core genome representing only 45–52% of the genome of any individual strain. We discovered genes for traits that were not known previously in the strains, including genes for the biosynthesis of the siderophores achromobactin and pseudomonine and the antibiotic 2-hexyl-5-propyl-alkylresorcinol; novel bacteriocins; type II, III, and VI secretion systems; and insect toxins. Certain gene clusters, such as those for two type III secretion systems, are present only in specific sub-clades, suggesting vertical inheritance. Almost all of the genes associated with multitrophic interactions map to genomic regions present in only a subset of the strains or unique to a specific strain. To explore the evolutionary origin of these genes, we mapped their distributions relative to the locations of mobile genetic elements and repetitive extragenic palindromic (REP) elements in each genome. The mobile genetic elements and many strain-specific genes fall into regions devoid of REP elements (i.e., REP deserts) and regions displaying atypical tri-nucleotide composition, possibly indicating relatively recent acquisition of these loci. Collectively, the results of this study highlight the enormous heterogeneity of the P. fluorescens group and the importance of the variable genome in tailoring individual strains to their specific lifestyles and functional repertoire.

Human mitochondrial DNAs (mtDNAs) from 153 independent samples encompassing seven Asian populations were surveyed for sequence variation using the polymerase chain reaction (PCR), restriction endonuclease analysis and oligonucleotide hybridization. All Asian populations were found to share two ancient AluI/DdeI polymorphisms at nps 10394 and 10397 and to be genetically similar indicating that they share a common ancestry. The greatest mtDNA diversity and the highest frequency of mtDNAs with HpaI/HincII morph 1 were observed in the Vietnamese suggesting a Southern Mongoloid origin of Asians. Remnants of the founding populations of Papua New Guinea (PNG) were found in Malaysia, and a marked frequency cline for the COII/tRNA(Lys) intergenic deletion was observed along coastal Asia. Phylogenetic analysis indicates that both insertion and deletion mutations in the COII/tRNA(Lys) region have occurred more than once.

All cellular life contains an extensive array of membrane transport proteins. The vast majority of these transporters have not been experimentally characterized. We have developed a bioinformatic pipeline to identify and annotate complete sets of transporters in any sequenced genome. This pipeline is now fully automated enabling it to better keep pace with the accelerating rate of genome sequencing. This manuscript describes TransportDB 2.0 (http://www.membranetransport.org/transportDB2/), a completely updated version of TransportDB, which provides access to the large volumes of data generated by our automated transporter annotation pipeline. The TransportDB 2.0 web portal has been rebuilt to utilize contemporary JavaScript libraries, providing a highly interactive interface to the annotation information, and incorporates analysis tools that enable users to query the database on a number of levels. For example, TransportDB 2.0 includes tools that allow users to select annotated genomes of interest from the thousands of species held in the database and compare their complete transporter complements.

Abstract Multidrug efflux pumps are important drivers of antibiotic resistance in Acinetobacter baumannii and other pathogens, however their ‘natural’ roles beyond transport of clinical antimicrobials are poorly described. Polyamines are an ancient class of molecules with broad roles in all three kingdoms of life, and are the likely natural substrate of at least one efflux pump family. We have defined the transcriptome of A. baumannii following treatment with high levels of the polyamines putrescine, cadaverine, spermidine and spermine. These molecules influenced expression of multiple gene classes in A. baumannii including those associated with virulence, and the four polyamines induced distinct but overlapping transcriptional responses. Polyamine shock also induced expression of the MFS-family efflux pump gene amvA and its repressor gene amvR . Loss of amvA dramatically reduced tolerance to the long-chain triaamine spermidine, but caused only modest changes in resistance to known AmvA substrates such as acriflavine. We confirmed reduced accumulation of spermidine in amvA -deficient A. baumannii , and showed that its expression is induced by long-chain polyamines through its cognate regulator AmvR. Our findings suggest that the conserved A. baumannii efflux pump AmvA has evolved to export spermidine from the cell, but that its substrate recognition promiscuity also allows activity against clinically-important biocides and antibiotics. Importance AMR genes, including multidrug efflux pumps, evolved long before the ubiquitous use of antimicrobials in medicine and infection control. Multidrug efflux pumps often transport metabolites, signals and host-derived molecules in addition to antibiotics or biocides. Understanding the ancestral physiological roles of multidrug efflux pumps could help to inform the development of strategies to subvert their activity. In this study, we investigated the response of Acinetobacter baumannii to polyamines, a widespread, abundant class of amino acid-derived metabolites, which led us to identify long-chain polyamines as natural substrates of the disinfectant efflux pump AmvA. A second clinically-important efflux pump, AdeABC, also contributed to polyamine tolerance. Our results suggest that the disinfectant resistance capability that allows A. baumannii to survive in hospitals may have evolutionary origins in the transport of polyamine metabolites.

Abstract Gene essentiality studies have been performed on numerous bacterial pathogens, but essential gene sets have been determined for only a few plant-associated bacteria. Pseudomonas protegens Pf-5 is a plant-commensal, biocontrol bacteria that can control disease-causing pathogens on a wide range of crops. Work on Pf-5 has mostly focused on secondary metabolism and biocontrol genes, but genome-wide approaches such as high-throughput transposon mutagenesis have not yet been used in this species. Here we generated a dense P. protegens Pf-5 transposon mutant library and used transposon-directed insertion site sequencing (TraDIS) to identify 446 genes essential for growth on rich media. Genes required for fundamental cellular machinery were enriched in the essential gene set, while genes related to nutrient biosynthesis, stress responses and transport were under-represented. Comparison of the essential gene sets of Pf-5 and P. aeruginosa PA14, an opportunistic human pathogen, provides insight into the biological processes important for their different lifestyles. Key differences include cytochrome c biogenesis, formation of periplasmic disulfide bonds, lipid biosynthesis, ribonuclease activity, lipopolysaccharides and cell surface structures. Comparison of the Pf-5 in silico predicted and in vitro determined essential gene sets highlighted the essential cellular functions that are over- and underestimated by each method. Expanding essentiality studies into bacteria with a range of lifestyles can improve our understanding of the biological processes important for survival and growth in different environmental niches. Importance Essential genes are those crucial for survival or normal growth rates in an organism. Essential gene sets have been identified in numerous bacterial pathogens, but only a few plant-associated bacteria. Employing genome-wide approaches, such as transposon insertion sequencing, allows for the concurrent analysis of all genes of a bacterial species and rapid determination of essential gene sets. We have used transposon insertion sequencing to systematically analyze thousands of Pseudomonas protegens Pf-5 genes and gain insights into gene functions and interactions that are not readily available using traditional methods. Comparing Pf-5 essential genes with those of P. aeruginosa PA14, an opportunistic human pathogen, provides insight into differences in gene essentiality which may be linked to their different lifestyles.

Abstract Plants live in association with microorganisms that positively influence plant development, vigor, and fitness in response to pathogens and abiotic stressors. The bulk of the plant microbiome is concentrated belowground at the plant root-soil interface. Plant roots secrete carbon-rich rhizodeposits containing primary and secondary low molecular-weight metabolites, lysates, and mucilages. These exudates provide nutrients for soil microorganisms and modulate their affinity to host plants, but molecular details of this process are largely unresolved. We addressed this gap by focusing on the molecular dialogue between eight well-characterized beneficial strains of the Pseudomonas fluorescens group and Brachypodium distachyon , a model for economically important food, feed, forage, and biomass crops of the grass family. We collected and analyzed root exudates of B. distachyon and demonstrated the presence of multiple carbohydrates, amino acids, organic acids and phenolic compounds. The subsequent screening of bacteria by Biolog Phenotype MicroArrays revealed that many of these metabolites provide carbon and energy for the Pseudomonas strains. RNA-seq profiling of bacterial cultures amended with root exudates revealed changes in the expression of genes encoding numerous catabolic and anabolic enzymes, transporters, transcriptional regulators, stress response, and conserved hypothetical proteins. Almost half of the differentially expressed genes mapped to the variable part of the strains’ pangenome, reflecting the importance of the variable gene content in the adaptation of P. fluorescens to the rhizosphere lifestyle. Our results collectively reveal the diversity of cellular pathways and physiological responses underlying the establishment of mutualistic interactions between these beneficial rhizobacteria and their plant hosts.

Manuka honey has broad-spectrum antimicrobial activity and unlike traditional antibiotics, resistance to its killing effects has not been reported. However, its mechanism of action remains unclear. Here we investigated the mechanism of action of manuka honey and its key antibacterial components using a transcriptomic approach in a model organism, Pseudomonas aeruginosa . We show that no single component of honey can account for its total antimicrobial action, and that honey affects the expression of genes in the SOS response, oxidative damage and quorum sensing. Manuka honey uniquely affects genes involved in the explosive cell lysis process and in maintaining the electron transport chain, causing protons to leak across membranes and collapsing the proton motive force; and induces membrane depolarisation and permeabilisation in P. aeruginosa . These data indicate that the activity of manuka honey comes from multiple mechanisms of action that do not engender bacterial resistance.

Abstract Swimming motility is a key bacterial trait, important to success in many niches, including assisting in colonization of host surfaces. Biocontrol bacteria, such as Pseudomonas protegens Pf-5 are increasingly being used as an agricultural tool to control crop diseases, where motility is a factor in successful colonization of the plant rhizosphere. Swimming motility has been studied in a range of bacteria and typically involves a suite of flagella and chemotaxis genes, however the specific gene set employed for both regulation and biogenesis can differ substantially between organisms. Here we used transposon directed insertion site sequencing (TraDIS), a genome-wide approach, to identify 249 genes involved in P. protegens Pf-5 swimming motility. As expected, flagella and chemotaxis genes comprised a large proportion of these genes. However we also identified a suite of additional genes important for swimming, including genes related to peptidoglycan turnover, O-antigen biosynthesis, cell division, signal transduction, c-di-GMP turnover and phosphate transport, along with 27 conserved hypothetical proteins. Experimental gene knockout mutants and TraDIS data together suggest that defects in the Pst phosphate transporter lead to enhanced swimming motility. Overall, this study expands our knowledge of pseudomonad motility and highlights the utility of a TraDIS-based approach for systematically analyzing the functions of thousands of genes. This work sets a foundation for understanding how swimming motility may be related to the inconsistency in biocontrol bacteria effectiveness and reliability in the field. Importance Biocontrol bacteria, such as Pseudomonas protegens Pf-5 are increasingly being used as an agricultural tool to control crop diseases, and motility is a key factor in their successful colonization of plant surfaces. Here we use a high-throughput approach to identify the suite of genes important for swimming motility in P. protegens Pf-5. These included flagella and chemotaxis genes, as well as a variety of cell surface, cell division and signalling genes. We also show that defects in the Pst phosphate transporter lead to enhanced swimming motility, a hitherto unreported link between phosphate transport and swimming motility. Understanding the genetic basis of swimming motility enhances our knowledge of key processes in biocontrol bacteria that are needed to ensure their competitive success. This will contribute to developing strategies to increase the utility of biocontrol bacteria in agricultural settings to prevent crop losses.

Abstract A novel multidrug efflux pump, AadT from the Drug:H + antiporter 2 family, was discovered in Acinetobacter multidrug resistance plasmids. Here, we profiled the antimicrobial resistance potential and examined the distribution of this gene. Putative homologs of this efflux pump were encoded in many Acinetobacter species and other Gram-negative species, and were genetically associated with novel variants of adeAB(C) , which encodes a major tripartite efflux pump in Acinetobacter . The AadT pump conferred decreased susceptibility to at least eight diverse antimicrobials, including antibiotics erythromycin, tetracycline; biocides chlorhexidine; and dyes ethidium bromide and DAPI. These results show that AadT is a new determinant in the Acinetobacter resistance arsenal and may cooperate with variants of AdeAB(C).

In recent years, effective treatment of infections caused by Acinetobacter baumannii has become challenging due to the ability of the bacterium to acquire or up-regulate antimicrobial resistance determinants. Two component signal transduction systems are known to regulate expression of virulence factors including multidrug efflux pumps. Here, we investigated the role of the AdeRS two component signal transduction system in regulating the AdeAB efflux system, determined whether AdeA and/or AdeB can individually confer antimicrobial resistance, and explored the interplay between pentamidine resistance and growth conditions in A. baumannii ATCC 17978. Results identified that deletion of adeRS affected resistance towards chlorhexidine and 4',6-diamidino-2-phenylindole dihydrochloride, two previously defined AdeABC substrates, and also identified an 8-fold decrease in resistance to pentamidine. Examination of ΔadeA, ΔadeB and ΔadeAB cells augmented results seen for ΔadeRS and identified a set of dicationic AdeAB substrates. RNA-sequencing of ΔadeRS revealed transcription of 290 genes were ≥2-fold altered compared to the wildtype. Pentamidine shock significantly increased adeA expression in the wildtype, but decreased it in ΔadeRS, implying that AdeRS activates adeAB transcription in ATCC 17978. Investigation under multiple growth conditions, including the use of Biolog phenotypic microarrays, revealed resistance to pentamidine in ATCC 17978 and mutants could be altered by bioavailability of iron or utilization of different carbon sources. In conclusion, the results of this study provide evidence that AdeAB in ATCC 17978 can confer intrinsic resistance to a subset of dicationic compounds and in particular, resistance to pentamidine can be significantly altered depending on the growth conditions.