ABSTRACT Salmonella enterica serovar Typhimurium is typically considered a host generalist, however certain strains are associated with specific hosts and show genetic features of host adaptation. Here, we sequenced 131 S. Typhimurium strains from wild birds collected in 30 U.S. states during 1978-2019. We found that isolates from broad taxonomic host groups including passerine birds, water birds (Aequornithes), and larids (gulls and terns) represented three distinct lineages and certain S. Typhimurium CRISPR types presented in individual lineages. We also showed that lineages formed by wild bird isolates differed from most strains originating from domestic animal sources, and genomes from these lineages substantially improved source attribution of Typhimurium genomes to wild birds by a machine learning classifier. Furthermore, virulence gene signatures that differentiated S. Typhimurium from passerines, water birds, and larids were detected. Passerine isolates tended to lack S. Typhimurium-specific virulence plasmids. Isolates from the passerine, water bird, and larid lineages had close genetic relatedness with human clinical isolates, including those from a 2021 U.S. outbreak linked to passerine birds. These observations indicate that S. Typhimurium from wild birds in the U.S. are likely host-adapted, and the representative genomic dataset examined in this study can improve source prediction and facilitate outbreak investigation. IMPORTANCE Within-host evolution of S. Typhimurium may lead to pathovars adapted to specific hosts. Here, we report the emergence of disparate avian S. Typhimurium lineages with distinct virulence gene signatures. The findings highlight the importance of wild birds as a reservoir for S. Typhimurium and contribute to our understanding of the genetic diversity of S. Typhimurium from wild birds. Our study indicates that S. Typhimurium may have undergone adaptive evolution within wild birds in the U.S. The representative S. Typhimurium genomes from wild birds, together with the virulence gene signatures identified in these bird isolates, are valuable for S. Typhimurium source attribution and epidemiological surveillance.

Wastewater surveillance has emerged as a crucial public health tool for population-level pathogen surveillance. Supported by funding from the American Rescue Plan Act of 2021, the FDA's genomic epidemiology program, GenomeTrakr, was leveraged to sequence SARS-CoV-2 from wastewater sites across the United States. This initiative required the evaluation, optimization, development, and publication of new methods and analytical tools spanning sample collection through variant analyses. Version-controlled protocols for each step of the process were developed and published on protocols.io. A custom data analysis tool and a publicly accessible dashboard were built to facilitate real-time visualization of the collected data, focusing on the relative abundance of SARS-CoV-2 variants and sub-lineages across different samples and sites throughout the project. From September 2021 through June 2023, a total of 3,389 wastewater samples were collected, with 2,517 undergoing sequencing and submission to NCBI under the umbrella BioProject, PRJNA757291. Sequence data were released with explicit quality control (QC) tags on all sequence records, communicating our confidence in the quality of data. Variant analysis revealed wide circulation of Delta in the fall of 2021 and captured the sweep of Omicron and subsequent diversification of this lineage through the end of the sampling period. This project successfully achieved two important goals for the FDA's GenomeTrakr program: first, contributing timely genomic data for the SARS-CoV-2 pandemic response, and second, establishing both capacity and best practices for culture-independent, population-level environmental surveillance for other pathogens of interest to the FDA.

Shigella spp. are a major cause of gastroenteritis worldwide, and S. sonnei is the most common species isolated within the United States. Recently, advancements in technology have made whole genome sequencing (WGS) readily available, and as such, laboratories are moving to implement WGS in outbreak analysis, surveillance, and antimicrobial resistance (AMR) monitoring of major foodborne pathogens. Accordingly, our study examined a collection of 22 antimicrobial resistant S. sonnei isolates from patients who either acquired the infections within the United States or when travelling to international locations between 2009 to 2014. We applied WGS to investigate both the relatedness of these isolates and the genetic determinants of AMR to address the phenotypic differences seen in previous observations. We analyzed the phylogeny of these strains and observed segmentation based on the previously described Global Lineages of S. sonnei. Following these results, 17 gene sequences with lineage specific single nucleotide polymorphisms (SNPs) were identified and developed into a lineage prediction test to determine the Global Lineage of uncharacterized S. sonnei, which accurately predicted phylogenetic segmentation and additionally showed specificity for S. sonnei genomes (97% accuracy, 38/39 genomes). Lastly, to determine differences between either the international or domestic isolates or between the Global Lineages, the AMR determinants were identified. We found a variety of AMR determinants within the genomes, and while the international and domestic S. sonnei carried similar resistance determinants, differences between Global Lineages were observed.

Non-typhoidal Salmonella are a leading cause of outbreak and sporadic-associated foodborne illnesses in the U.S. These infections have been associated with a range of foods, including retail meats. Traditionally, pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) and antibiotic susceptibility testing (AST) have been used to facilitate public health investigations of Salmonella infections. However, whole-genome sequencing (WGS) has emerged as an alternative tool that can be routinely implemented. To assess its potential in enhancing integrated surveillance in Pennsylvania, WGS was used to directly compare the genetic characteristics of 7 retail meat and 43 clinical historic Salmonella isolates, subdivided into three subsets based on PFGE and AST results, to retrospectively resolve their genetic relatedness and identify antimicrobial resistance (AMR) determinants. Single nucleotide polymorphism (SNP) analyses revealed the retail meat isolates within S. Heidelberg, S. Typhimurium var. O5- subset 1, and S. Typhimurium var. O5- subset 2 were separated from each primary PFGE pattern-matched clinical isolate by 6-12, 41-96, and 21-81 SNPs, respectively. Fifteen resistance genes were identified across all isolates, including fosA7, a gene only recently found in a limited number of Salmonella and a ≥ 95% phenotype to genotype correlation was observed for all tested antimicrobials. Moreover, AMR was primarily plasmid-mediated in S. Heidelberg and S. Typhimurium var. O5- subset 2; whereas, AMR was chromosomally-carried in S. Typhimurium var. O5- subset 1. Similar plasmids were identified in both the retail meat and clinical isolates. Collectively, these data highlight the utility of WGS in retrospective analyses and enhancing integrated surveillance of Salmonella from multiple sources.

We isolated Salmonella enterica serovar Senftenberg in raw wastewater from 2 Pennsylvania wastewater treatment facilities during June 2022. Whole genome sequencing revealed 4 isolates separated by <4 single nucleotide polymorphisms from S. enterica Senftenberg in a cluster from the 2022 nationwide outbreak linked to contaminated peanut butter.

ABSTRACT Salmonella enterica serovar Typhimurium from passerines have caused wild bird mortality and human salmonellosis outbreaks in Europe, Oceania, and North America. Here, we performed comparative genomic analysis to explore the emergence, genetic relationship, and evolution of geographically dispersed passerine isolates. We found that passerine isolates from Europe and the United States clustered to form two lineages (EU and US passerine lineages), which were distinct from major S . Typhimurium lineages circulating in other diverse hosts ( e.g ., humans, cattle, pigs, chicken, other avian hosts such as pigeons and ducks). Further, passerine isolates from New Zealand clustered to form a sublineage (NZ passerine lineage) of the US passerine lineage. We inferred that the passerine isolates mutated at a rate of 3.2 × 10 -7 substitutions/site/year, and the US, EU, and NZ passerine lineages emerged in ca . 1952, 1970, and 1996, respectively. Isolates from the three lineages presented genetic similarity such as lack of antimicrobial resistance genes and accumulation of same virulence pseudogenes. In addition, genetic diversity due to microevolution existed in the three passerine lineages. Specifically, pseudogenization in type 1 fimbrial gene fimC (deletion of G at position 87) was only detected in the US and NZ passerine isolates, while a single-base deletion in type 3 secretion system effector genes ( i.e ., gogB, sseJ , and sseK2 ) solely concurred in the EU passerine isolates. These findings provide insights into evolution, host adaptation, and epidemiology of S . Typhimurium in passerines. IMPORTANCE Passerine-associated S . Typhimurium have been linked to human salmonellosis outbreaks in recent years. Here we investigated the phylogenetic relationship of globally distributed passerine isolates and profiled their genomic similarity and diversity. Our study reveals two passerine-associated S . Typhimurium lineages circulating in Europe, Oceania, and North America. Isolates from the two lineages presented phylogenetic and genetic signatures that were distinct from isolates of other hosts. The findings shed light on host adaptation of S . Typhimurium in passerines and are important for source attribution of S . Typhimurium to avian hosts. Further, we found S . Typhimurium definitive phage type (DT) 160 from passerines that caused decade-long human salmonellosis outbreaks in New Zealand and Australia formed a sublineage of the US passerine lineage, suggesting that DT160 may have originated from passerines outside Oceania. Our study demonstrates the importance of whole-genome sequencing and genomic analysis of historical microbial collections to modern day epidemiologic surveillance.

Abstract Within-host evolution of bacterial pathogens can lead to host-associated variants of the same species or serovar. Identification and characterization of closely related variants from diverse host species are crucial to public health and host-pathogen adaptation research. However, the work remained largely underexplored at a strain level until the advent of whole-genome sequencing (WGS). Here, we performed WGS-based subtyping and analyses of Salmonella enterica serovar Typhimurium ( n = 787) from different wild birds across 18 countries over a 75-year period. We revealed seven avian host-associated S. Typhimurium variants/lineages. These lineages emerged globally over short timescales and presented genetic features distinct from S. Typhimurium lineages circulating among humans and domestic animals. We further showed that, in terms of virulence, host adaptation of these variants was driven by genome degradation. Our results provide a snapshot of the population structure and genetic diversity of S. Typhimurium within avian hosts. We also demonstrate the value of WGS-based subtyping and analyses in unravelling closely related variants at the strain level.

ABSTRACT Background Companion animals, like household dogs, are an overlooked transmission point for zoonotic pathogens such as nontyphoidal Salmonella (NTS). Given the proximity of dogs to humans and the use of critically important antibiotics in companion animal medicine, household dogs represent a risk for the spread of antimicrobial‐resistant (AMR) Salmonella . Methods and Results To this end, we aimed to leverage existing biosurveillance infrastructure to investigate AMR and the zoonotic potential of NTS isolated from dogs and humans. We identified all NTS strains isolated from domestic dogs via the Veterinary Laboratory Investigation and Response Network between May 2017 and March 2023 ( N = 87), and spatiotemporally matched strains isolated from humans in the NCBI Pathogen Isolate Browser ( N = 77). These 164 strains, collected from 17 states in the United States, formed the basis of our analysis. Strains isolated from dogs comprised diverse serovars, with most being clinically relevant to human health. All strains possessed AMR determinants for drug classes deemed critically or highly important by the World Health Organization. We identified sixteen NTS isolates from humans closely related to ≥1 of six dog‐associated strains. Conclusions Collectively, our data emphasize the importance of antimicrobial stewardship and sustained biosurveillance beyond human‐ and agriculture‐associated veterinary medicine, using a One‐Health framework that accounts for all transmission points including companion animals.

Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) is a significant pathogen in both cattle and pigs, causing diarrhea in these animals and leading to economic losses in the livestock industry. Understanding the dissimilarity in genotype, antimicrobial resistance (AMR), and virulence between bovine and swine ETEC is crucial for development of targeted preventive and therapeutic approaches for livestock. However, a comprehensive study on this area remains lacking. Here, we performed whole-genome sequencing-based analyses of bovine (n = 554) and swine (n = 623) ETEC collected in the US over a 53-year period. We identified distinct ETEC genotypes (fimH type, O antigen, H antigen, sequence type) in cattle and pigs. Further, specific AMR and virulence profiles were associated with bovine and swine ETEC. Compared to swine ETEC, bovine ETEC were less diverse in genotypes, had a significantly (p < 0.001) lower number of AMR genes per isolate but higher co-occurrence of Shiga toxin and enterotoxin genes. Our results provide an overview of the key genomic differences between bovine and swine ETEC in the US, which might be attributed to host adaptation and antibiotic usage practice. Ongoing surveillance and research are essential to monitor the genetic diversity and AMR patterns of ETEC in different host species.