Edwardsiella ictaluri is a Gram-negative facultative intracellular pathogen causing enteric septicemia of channel catfish (ESC). The disease causes considerable economic losses in the commercial catfish industry in the United States. Although antibiotics are used as feed additive, vaccination is a better alternative for prevention of the disease. Here we report the development and characterization of novel live attenuated E. ictaluri mutants. To accomplish this, several tricarboxylic acid cycle (sdhC, mdh, and frdA) and one-carbon metabolism genes (gcvP and glyA) were deleted in wild type E. ictaluri strain 93-146 by allelic exchange. Following bioluminescence tagging of the E. ictaluri ΔsdhC, Δmdh, ΔfrdA, ΔgcvP, and ΔglyA mutants, their dissemination, attenuation, and vaccine efficacy were determined in catfish fingerlings by in vivo imaging technology. Immunogenicity of each mutant was also determined in catfish fingerlings. Results indicated that all of the E. ictaluri mutants were attenuated significantly in catfish compared to the parent strain as evidenced by 2,265-fold average reduction in bioluminescence signal from all the mutants at 144 h post-infection. Catfish immunized with the E. ictaluri ΔsdhC, Δmdh, ΔfrdA, and ΔglyA mutants had 100% relative percent survival (RPS), while E. ictaluri ΔgcvP vaccinated catfish had 31.23% RPS after re-challenge with the wild type E. ictaluri.

Edwardsiella ictaluri is a Gram-negative facultative intracellular pathogen causing enteric septicemia in channel catfish. Iron is an essential micronutrient needed for bacterial virulence, and to acquire iron, many Gram-negative bacteria secrete ferric iron chelating siderophores. The ferric hydroxamate uptake (Fhu) system consists of four genes (fhuC, fhuD, fhuB, and fhuA), and is involved in the uptake of hydroxamate type siderophores across bacterial membranes. However, the Fhu system and its importance in E. ictaluri virulence have been uninvestigated. Here, we present construction and evaluation of an E. ictaluri ΔfhuC mutant. The E. ictaluri fhuC gene was deleted in-frame by allelic exchange, and the mutant's growth in media and virulence in catfish were determined. Our results indicated that deletion of the E. ictaluri fhuC gene did not affect the growth of E. ictaluri largely in both iron-replete and iron-depleted media. Addition of ferric iron sources into the iron-depleted medium improved the growth of both E. ictaluri ΔfhuC and wild type (WT). Catfish mortalities indicated that E. ictaluri ΔfhuC mutant was attenuated 2.05-fold compared with the parent strain. The catfish immunized with the E. ictaluri ΔfhuC mutant showed a high relative percent survival rate (97.50%) after re-challenge with the WT E. ictaluri strain. Taken together, our data indicates that the fhuC gene contributes to E. ictaluri virulence.

Edwardsiella ictaluri is a Gram-negative facultative intracellular pathogen causing enteric septicemia in fish, particularly in channel catfish. Ferric iron is an essential micronutrient for bacterial survival, and some bacterial pathogens use secreted hydroxamate-type siderophores to chelate iron in host tissues. Siderophore-iron complexes are taken up by these bacteria via the ferric hydroxamate uptake (Fhu) system. In E. ictaluri, the Fhu system consists of fhuC, fhuD, fhuB, and fhuA genes. However, the importance of the Fhu system in E. ictaluri virulence has not been investigated completely. Here, we present construction of E. ictaluri fhuD and fhuB mutants (EiΔfhuD and EiΔfhuB) by in-frame gene deletion and evaluation of the mutants' virulence and immunogenicity in channel catfish fingerlings and fry. Immersion challenges showed that EiΔfhuD was not significantly attenuated (p < 0.05) in catfish fingerlings, whereas EiΔfhuB was significantly attenuated (p < 0.01). Catfish fingerlings immunized with EiΔfhuD and EiΔfhuB showed 100% and 97.62% survival, respectively. Fry immersion challenges indicated EiΔfhuB was also significantly attenuated (p < 0.05) in two-week old fry compared to the wild-type (48.96% vs. 82.14% mortalities). The survival rate in the fry vaccinated with EiΔfhuB was significantly higher (p < 0.05) than that of non-vaccinated fry (96.77% vs. 21.42% survival). Our data indicates that the fhuB gene, but not the fhuD gene, contributes to E. ictaluri virulence.

Edwardsiella ictaluri is a Gram-negative intracellular facultative pathogen causing enteric septicemia of channel catfish (ESC). The Tol system, consisting of four envelope proteins TolQ, TolR, TolA, and TolB, are required for colicin import and contributes to bacterial virulence in several pathogenic bacteria. However, the Tol system and its importance in E. ictaluri virulence have not been investigated. Here we present construction and evaluation of the E. ictaluri TolQ, TolR and TolQR mutants (EiΔtolQ, EiΔtolR, and EiΔtolQR). The Tol mutants were developed using in-frame gene deletion and their attenuation and vaccine efficacy were determined in catfish fingerlings. The EiΔtolQ, EiΔtolR, and EiΔtolQR mutants showed reduced virulence in catfish (28.93%, 19.70%, and 39.82% mortality, respectively) compared to wild type (46.91% mortality). Further, vaccination with these mutants protected catfish against subsequent wild-type infection. This study suggests that the Tol system contributes to E. ictaluri virulence in catfish.

Edwardsiella ictaluri is a Gram-negative facultative intracellular pathogen causing enteric septicemia of catfish (ESC). We have shown recently that tricarboxylic acid cycle (TCA) and one-carbon (C1) metabolism are involved in E. ictaluri pathogenesis. However, the effect of multiple mutations in these pathways is unknown. Here, we report four novel E. ictaluri mutants carrying double gene mutations in TCA cycle (EiΔmdhΔsdhC, EiΔfrdAΔsdhC), C1 metabolism (EiΔglyAΔgcvP), and both TCA and C1 metabolism pathways (EiΔgcvPΔsdhC). In-frame gene deletions were constructed by allelic exchange and mutants' virulence and vaccine efficacy were evaluated using in vivo bioluminescence imaging (BLI) as well as end point mortality counts in catfish fingerlings. Results indicated that all the double gene mutants were attenuated compared to wild-type (wt) E. ictaluri. There was a 1.39-fold average reduction in bioluminescence, and hence bacterial numbers, from all the mutants except for EiΔfrdAΔsdhC at 144 h post-infection. Vaccination with mutants was very effective in protecting channel catfish against subsequent infection with virulent E. ictaluri 93-146 strain. In particular, immersion vaccination resulted in complete protection. Our results provide further evidence on the importance of TCA and C1 metabolism pathways in bacterial pathogenesis.

Edwardsiella ictaluri is a Gram-negative facultative intracellular anaerobe and the etiologic agent of enteric septicemia of channel catfish (ESC). To the catfish industry, ESC is a devastating disease due to production losses and treatment costs. Identification of virulence mechanisms of E. ictaluri is critical to developing novel therapeutic approaches for the disease. Here, we report construction of a transposon insertion library and identification of mutated genes in growth-delayed E. ictaluri colonies. We also provide safety and efficacy of transposon insertion mutants in catfish. An E. ictaluri transposon insertion library with 45,000 transposants and saturating 30.92% of the TA locations present in the E. ictaluri genome was constructed. Transposon end mapping of 250 growth-delayed E. ictaluri colonies and bioinformatic analysis of sequences revealed 56 unique E. ictaluri genes interrupted by the MAR2xT7 transposon, which are involved in metabolic and cellular processes and mostly localized in the cytoplasm or cytoplasmic membrane. Of the 56 genes, 30 were associated with bacterial virulence. Safety and vaccine efficacy testing of 19 mutants showed that mutants containing transposon insertions in hypothetical protein (Eis::004), and Fe-S cluster assembly protein (IscX, Eis::039), sulfurtransferase (TusA, Eis::158), and universal stress protein A (UspA, Eis::194) were safe and provided significant protection (p < 0.05) against wild-type E. ictaluri. The results indicate that random transposon mutagenesis causing growth-delayed phenotype results in identification bacterial virulence genes, and attenuated strains with transposon interrupted virulence genes could be used as vaccine to activate fish immune system.

Edwardsiella ictaluri is a Gram-negative bacterium causing enteric septicemia of catfish (ESC), leading to significant economic losses in the catfish farming industry. RT-PCR analysis is a powerful technique for quantifying gene expression, but normalization of expression data is critical to control experimental errors. Using stable reference genes, also known as housekeeping genes, is a common strategy for normalization, yet reference gene selection often lacks proper validation. In this work, our goal was to determine the most stable reference genes in E. ictaluri during catfish serum exposure and various growth phases. To this goal, we evaluated the expression of 27 classical reference genes (16SrRNA, abcZ, adk, arc, aroE, aspA, atpA, cyaA, dnaG, fumC, g6pd, gdhA, glnA, gltA, glyA, grpE, gyrB, mdh, mutS, pgi, pgm, pntA, recA, recP, rpoS, tkt, and tpi) using five analytical programs (GeNorm, BestKeeper, NormFinder, Comparative DeltaCT, and Comprehensive Ranking). Results showed that aspA, atpA, dnaG, glyA, gyrB, mutS, recP, rpoS, tkt, and tpi were the most stable reference genes during serum exposure, whereas fumC, g6pd, gdhA, glnA, and mdh were the least stable. During various growth phases, aspA, g6pd, glyA, gyrB, mdh, mutS, pgm, recA, recP, and tkt were the most stable, while 16S rRNA, atpA, grpE, and tpi were the least stable. At least four analysis methods confirmed the stability of aspA, glyA, gyrB, mutS, recP, and tkt during serum exposure and different growth stages. However, no consensus was found among the programs for unstable reference genes under both conditions.

Listeria monocytogenes is the causative agent of listeriosis, a severe foodborne illness characterized by septicemia, meningitis, encephalitis, abortions, and occasional death in infants and immunocompromised individuals. L. monocytogenes is composed of four genetic lineages (I, II, III, and IV) and fourteen serotypes. The aim of the current study was to identify proteins that can serve as biomarkers for detection of genetic lineage III strains based on simple antibody-based methods. Liquid chromatography (LC) with electrospray ionization tandem mass spectrometry (ESI MS/MS) followed by bioinformatics and computational analysis were performed on three L. monocytogenes strains (NRRL B-33007, NRRL B-33014, and NRRL B-33077), which were used as reference strains for lineages I, II, and III, respectively. Results from ESI MS/MS revealed 42 unique proteins present in NRRL B-33077 and absent in NRRL B-33007 and NRRL B-33014 strains. BLAST analysis of the 42 proteins against a broader panel of >80 sequenced strains from lineages I and II revealed four proteins [TM2 domain-containing protein (NRRL B-33077_2770), DUF3916 domain-containing protein (NRRL B-33077_1897), DNA adenine methylase (NRRL B-33077_1926), and protein RhsA (NRRL B-33077_1129)] that have no homology with any sequenced strains in lineages I and II. The four genes that encode these proteins were expressed in Escherichia coli strain DE3 and purified. Polyclonal antibodies were prepared against purified recombinant proteins. ELISA using the polyclonal antibodies against 12 L. monocytogenes lineage I, II, and III isolates indicated that TM2 protein and DNA adenine methylase (Dam) detected all lineage III strains with no reaction to lineage I and II strains. In conclusion, two proteins including TM2 protein and Dam are potentially useful biomarkers for detection and differentiation of L. monocytogenes lineage III strains in clinical, environmental, and food processing facilities. Furthermore, these results validate the approach of using a combination of proteomics and bioinformatics to identify useful protein biomarkers.