Significance Statement Genetic exchange among bacteria shapes the microbial world. From the acquisition of antimicrobial resistance genes to fundamental questions about the nature of bacterial species, this powerful evolutionary force has preoccupied scientists for decades. However, the mixing of genes between species rests on a paradox. On one hand, promoting adaptation by conferring novel functionality, on the other potentially introducing disharmonious gene combinations (negative epistasis) that will be selected against. Taking an interdisciplinary approach to analyse natural populations of the enteric bacteria Campylobacter , an ideal example of long-range admixture, we demonstrate that genes can independently transfer across species boundaries and rejoin in epistasis in a recipient genome. This challenges conventional ideas and highlights the possibility of single step evolution by saltation. Abstract Recombination of short DNA fragments via horizontal gene transfer (HGT) can both introduce beneficial alleles and create genomic disharmony through negative epistasis. For non-core (accessory) genes, the negative epistatic cost is likely to be minimal because the incoming genes have not co-evolved with the recipient genome. By contrast, for the core genome, interspecific recombination is expected to be rare because disruptive allelic replacement is likely to introduce negative epistasis. Why then is homologous recombination common in the core of bacterial genomes? To understand this enigma we take advantage of an exceptional model system, the common enteric pathogens Campylobacter jejuni and Campylobacter coli , that are known for very high magnitude interspecies gene flow in the core genome. As expected, HGT does indeed disrupt co-adapted allele pairings (negative epistasis). However, multiple HGT events enable recovery of the genome’s co-adaption between introgressing alleles, even in core metabolism genes (e.g., formate dehydrogenase). These findings demonstrate that, even for complex traits, genetic coalitions can be decoupled, transferred and independently reinstated in a new genetic background – facilitating transition between fitness peaks. In this example, the two-step recombinational process is associated with C. coli that are adapted to the agricultural niche.

Abstract Background The natural environment serves as a potential reservoir for Campylobacter, the leading cause of bacterial gastroenteritis in humans. However, little is understood about the mechanisms underlying variations in survival characteristics between different strains of C. jejuni in natural environments, including water. Results We identified three Campylobacter jejuni strains that exhibited variability in their ability to retain culturability after suspension in water at two different temperatures (4°C and 25°C). Of the three, strains C. jejuni M1 exhibited the most rapid loss of culturability whilst retaining viability. Using RNAseq transcriptomics, we characterised C. jejuni M1 gene expression in response to suspension in water by analyzing bacterial suspensions recovered immediately after introduction into water (Time 0), and from two sampling time/temperature combinations where considerable loss of culturability was evident, namely (i) after 24 h at 25°C, and (ii) after 72 h at 4°C. Transcript data were compared with a culture-grown control. Some gene expression characteristics were shared amongst the three populations recovered from water, with more genes being up-regulated than down. Many of the up-regulated genes were identified in the Time 0 sample, whereas the majority of down-regulated genes occurred in the 25°C (24 h) sample. Conclusions Variations in expression were found amongst genes associated with oxygen tolerance, starvation and osmotic stress. However, we also found upregulation of flagellar assembly genes, accompanied by down-regulation of genes involved in chemotaxis. Our data also suggested a switch from secretion via the sec system to via the tat system, and that the quorum sensing gene luxS may be implicated in the survival of strain M1 in water. Variations in gene expression also occurred in accessory genome regions. Our data suggest that despite the loss of culturability, C. jejuni M1 remains viable and adapts via specific changes in gene expression.

Abstract Infection by Campylobacter is recognised as the most common cause of foodborne bacterial illness worldwide. Faecal contamination of meat, especially chicken, during processing represents a key route of transmission to humans. There is currently no licenced vaccine and no Campylobacter -resistant chickens. In addition, preventative measures aimed at reducing environmental contamination and exposure of chickens to Campylobacter jejuni (biosecurity) have been ineffective. There is much interest in the factors/mechanisms that drive C. jejuni colonisation and infection of animals, and survival in the environment. It is anticipated that understanding these mechanisms will guide the development of effective intervention strategies to reduce the burden of C. jejuni infection. Here we present a comprehensive analysis of C. jejuni fitness during growth and survival within and outside hosts. A comparative analysis of transposon (Tn) gene inactivation libraries in three C. jejuni strains by Tn-seq demonstrated that a large proportion, 331 genes, of the C. jejuni genome is dedicated to ( in vitro ) growth. An extensive Tn library in C. jejuni M1cam (~10,000 mutants) was screened for the colonisation of commercial broiler chickens, survival in houseflies and under nutrient-rich and–poor conditions at low temperature, and infection of human gut epithelial cells. We report C. jejuni factors essential throughout its life cycle and we have identified genes that fulfil important roles across multiple conditions, including maf3, fliW, fliD, pflB and capM , as well as novel genes uniquely implicated in survival outside hosts. Taking a comprehensive screening approach has confirmed previous studies, that the flagella are central to the ability of C. jejuni to interact with its hosts. Future efforts should focus on how to exploit this knowledge to effectively control infections caused by C. jejuni . Author Summary Campylobacter jejuni is the leading bacterial cause of human diarrhoeal disease. C. jejuni encounters and has to overcome a wide range of “stress” conditions whilst passing through the gastrointestinal tract of humans and other animals, during processing of food products, on/in food and in the environment. We have taken a comprehensive approach to understand the basis of C. jejuni growth and within/outside host survival, with the aim to inform future development of intervention strategies. Using a genome-wide transposon gene inactivation approach we identified genes core to the growth of C. jejuni . We also determined genes that were required during the colonisation of chickens, survival in the housefly and under nutrient-rich and –poor conditions at low temperature, and during interaction with human gut epithelial tissue culture cells. This study provides a comprehensive dataset linking C. jejuni genes to growth and survival in models relevant to its life cycle. Genes important across multiple models were identified as well as genes only required under specific conditions. We identified that a large proportion of the C. jejuni genome is dedicated to growth and that the flagella fulfil a prominent role in the interaction with hosts. Our data will aid development of effective control strategies.