Escherichia coli O157:H7, a toxin-producing food and waterborne bacterial pathogen, has been linked to large outbreaks of gastrointestinal illness for more than two decades. E. coli O157 causes a wide range of clinical illness that varies by outbreak, although factors that contribute to variation in disease severity are poorly understood. Several recent outbreaks involving O157 contamination of fresh produce (e.g., spinach) were associated with more severe disease, as defined by higher hemolytic uremic syndrome and hospitalization frequencies, suggesting that increased virulence has evolved. To test this hypothesis, we developed a system that detects SNPs in 96 loci and applied it to >500 E. coli O157 clinical strains. Phylogenetic analyses identified 39 SNP genotypes that differ at 20% of SNP loci and are separated into nine distinct clades. Differences were observed between clades in the frequency and distribution of Shiga toxin genes and in the type of clinical disease reported. Patients with hemolytic uremic syndrome were significantly more likely to be infected with clade 8 strains, which have increased in frequency over the past 5 years. Genome sequencing of a spinach outbreak strain, a member of clade 8, also revealed substantial genomic differences. These findings suggest that an emergent subpopulation of the clade 8 lineage has acquired critical factors that contribute to more severe disease. The ability to detect and rapidly genotype O157 strains belonging to such lineages is important and will have a significant impact on both disease diagnosis and treatment guidelines.

ABSTRACT Microorganisms frequently colonize surfaces and equipment within food production facilities. Listeria monocytogenes is a ubiquitous foodborne pathogen widely distributed in food production environments and is the target of numerous control and prevention procedures. Detection of L. monocytogenes in a food production setting requires culture dependent methods, but the complex dynamics of bacterial interactions within these environments and their impact on pathogen detection remains largely unexplored. To address this challenge, we applied both 16S rRNA and shotgun quasimetagenomic (enriched microbiome) sequencing of swab culture enrichments from seafood and dairy production environments. Utilizing 16S rRNA amplicon sequencing, we observed variability between samples taken from different production facilities and a distinctive microbiome for each environment. With shotgun quasimetagenomic sequencing, we were able to assemble L. monocytogenes metagenome assembled genomes (MAGs) and compare these MAGSs to their previously sequenced whole genome sequencing (WGS) assemblies, which resulted in two polyphyletic clades (lineages I and II). Using these same datasets together with in silico downsampling to produce a titration series of proportional abundances of L. monocytogenes , we were able to begin to establish limits for Listeria detection and subtyping using shotgun quasimetagenomics. This study contributes to the understanding of microbial diversity within food production environments and presents insights into how many reads or relative abundance is needed in a metagenome sequencing dataset to detect, subtype, and source track at a SNP level, as well as providing an important foundation for utilizing metagenomics to mitigate unfavorable occurrences along the farm to fork continuum. IMPORTANCE In developed countries, the human diet is predominantly food commodities, which have been manufactured, processed, and stored in a food production facility. It is well known that the pathogen Listeria monocytogenes is frequently isolated from food production facilities and can cause serious illness to susceptible populations. Multistate outbreaks of L. monocytogenes over the last 10 years have been attributed to food commodities manufactured and processed in production facilities, especially those dealing with dairy products such as cheese and ice cream. A myriad of recalls due to possible L. monocytogenes contamination have also been issued for seafood commodities originating from production facilities. It is critical to public health that the means of growth, survival and spread of Listeria in food production ecosystems is investigated with developing technologies, such as 16S rRNA and quasimetagenomic sequencing, to aid in the development of effective control methods.