Abstract The emergence of new bacterial pathogens is a continuing challenge for agriculture and food safety. Salmonella enterica serovar Typhimurium ( S . Typhimurium) is a major cause of foodborne illness worldwide, with pigs a major zoonotic reservoir. Two variants, S . Typhimurium phage type U288 and monophasic S . Typhimurium ( S . 4,[5],12:i:-) ST34 emerged and have accounted for the majority of isolates from pigs in the UK in the past two decades, but have distinct host range and risk to food safety. ST34 accounts for over 50% of all S . Typhimurium infections in people while U288 less than 2%. U288 and ST34 form distinct phylogenetic clusters within S . Typhimurium, defined by approximately 600 SNPs within their 5 Mbp genomes. Evolution of the U288 clade from an LT2-like ancestor was characterised by the acquisition of AMR genes, insertions and deletions in the virulence plasmid pU288-1, and the accumulation of polymorphisms, some of which resulted in truncation of coding sequences. U288 isolates exhibited lower growth rate and viability following desiccation compared to ST34 isolates, characteristics that could affect transmission through the food chain. U288 and ST34 isolates exhibited distinct outcomes of infection in the murine model of colitis, and colonised pigs in a manner that affected the disease symptoms and distribution in organs. U288 infection was more disseminated in the lymph nodes while ST34 were recovered in greater numbers in the intestinal contents. These data are consistent with the evolution of S . Typhimurium U288 adaptation to pigs that may determine their reduced zoonotic potential. Importance Bacterial pathogens continually evolve to exploit new ecological niches as they emerge due to human activity including agricultural, medical or societal practice. The consequences of the emergence of new pathogens may affect outcome of infection and risk to human or animal health. Genome sequence can resolve the population structure, identify variants that are evolving as they enter a new niche, and pinpoint potential functional divergence. We report a variant S . Typhimurium that adapted to a unique niche distinct to that occupied by a second S . Typhimurium variant circulating in the same pig populations. Adaptation was accompanied by phenotypic and genotypic changes consistent with a more invasive lifestyle and a decreased zoonotic potential observed in the epidemiological record. Our findings suggest that pathogen genotypic variation may be useful in estimating zoonotic potential and threat to livestock welfare.

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.

Abstract Gastrointestinal (GI) infections in sheep have significant implications for animal health, welfare and productivity, as well as being a source of zoonotic pathogens. Interactions between pathogens and epithelial cells at the mucosal surface play a key role in determining the outcome of GI infections; however, the inaccessibility of the GI tract in vivo significantly limits the ability to study such interactions in detail. We therefore developed ovine epithelial organoids representing physiologically important gastric and intestinal sites of infection, specifically the abomasum (analogous to the stomach in monogastrics) and ileum. We show that both abomasal and ileal organoids form self-organising three-dimensional structures with a single epithelial layer and a central lumen that are stable in culture over serial passage. We performed RNA-seq analysis on abomasal and ileal tissue from multiple animals and on organoids across multiple passages and show the transcript profile of both abomasal and ileal organoids cultured under identical conditions are reflective of the tissue from which they were derived and that the transcript profile in organoids is stable over at least five serial passages. In addition, we demonstrate that the organoids can be successfully cryopreserved and resuscitated, allowing long-term storage of organoid lines, thereby reducing the number of animals required as a source of tissue. We also report the first published observations of a helminth infecting gastric and intestinal organoids by challenge with the sheep parasitic nematode Teladorsagia circumcincta , demonstrating the utility of these organoids for pathogen co-culture experiments. Finally, the polarity in the abomasal and ileal organoids can be inverted to make the apical surface directly accessible to pathogens or their products, here shown by infection of apical-out organoids with the zoonotic enteric bacterial pathogen Salmonella enterica serovar Typhimurium. In summary, we report a simple and reliable in vitro culture system for generation and maintenance of small ruminant intestinal and gastric organoids. In line with 3Rs principals, use of such organoids will reduce and replace animals in host-pathogen research.

Abstract Infectious diseases of farmed and wild animals pose a recurrent threat to food security and human health. The macrophage, a key component of the innate immune system, is the first line of defence against many infectious agents and plays a major role in shaping the adaptive immune response. However, this phagocyte is a target and host for many pathogens. Understanding the molecular basis of interactions between macrophages and pathogens is therefore crucial for the development of effective strategies to combat important infectious diseases. We explored how pluripotent stem cells (PSCs) can provide a limitless in vitro supply of genetically and experimentally tractable macrophages from livestock. Porcine and bovine PSC-derived macrophages (PSCdMs) exhibited molecular and functional characteristics of ex vivo primary macrophages. Pig PSCdMs were productively infected by Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus (PRRSV) and African Swine Fever Virus (ASFV), two of the most economically important and devastating viruses in pig farming. Moreover, Pig PSCdMs were readily amenable to genetic modification by CRISPR/Cas9 gene editing applied in parental stem cells, or directly by lentiviral vector transduction. PSCs and differentiated derivatives therefore provide a useful and ethical experimental platform to investigate the genetic and molecular basis of host-pathogen interactions in livestock.