Intracellular endosymbiotic bacteria are found in many terrestrial arthropods and have a profound influence on host biology. A basic question about these symbionts is why they infect the hosts that they do, but estimating symbiont incidence (the proportion of potential host species that are actually infected) is complicated by dynamic or low prevalence infections. We develop a maximum-likelihood approach to estimating incidence, and testing hypotheses about its variation. We apply our method to a database of screens for bacterial symbionts, containing more than 3600 distinct arthropod species and more than 150 000 individual arthropods. After accounting for sampling bias, we estimate that 52% (CIs: 48–57) of arthropod species are infected with Wolbachia , 24% (CIs: 20–42) with Rickettsia and 13% (CIs: 13–55) with Cardinium . We then show that these differences stem from the significantly reduced incidence of Rickettsia and Cardinium in most hexapod orders, which might be explained by evolutionary differences in the arthropod immune response. Finally, we test the prediction that symbiont incidence should be higher in speciose host clades. But while some groups do show a trend for more infection in species-rich families, the correlations are generally weak and inconsistent. These results argue against a major role for parasitic symbionts in driving arthropod diversification.

Rickettsia are intracellular symbionts of eukaryotes that are best known for infecting and causing serious diseases in humans and other mammals. All known vertebrate-associated Rickettsia are vectored by arthropods as part of their life-cycle, and many other Rickettsia are found exclusively in arthropods with no known secondary host. However, little is known about the biology of these latter strains. Here, we have identified 20 new strains of Rickettsia from arthropods, and constructed a multi-gene phylogeny of the entire genus which includes these new strains. We show that Rickettsia are primarily arthropod-associated bacteria, and identify several novel groups within the genus. Rickettsia do not co-speciate with their hosts but host shifts most often occur between related arthropods. Rickettsia have evolved adaptations including transmission through vertebrates and killing males in some arthropod hosts. We uncovered one case of horizontal gene transfer among Rickettsia, where a strain is a chimera from two distantly related groups, but multi-gene analysis indicates that different parts of the genome tend to share the same phylogeny. Approximately 150 million years ago, Rickettsia split into two main clades, one of which primarily infects arthropods, and the other infects a diverse range of protists, other eukaryotes and arthropods. There was then a rapid radiation about 50 million years ago, which coincided with the evolution of life history adaptations in a few branches of the phylogeny. Even though Rickettsia are thought to be primarily transmitted vertically, host associations are short lived with frequent switching to new host lineages. Recombination throughout the genus is generally uncommon, although there is evidence of horizontal gene transfer. A better understanding of the evolution of Rickettsia will help in the future to elucidate the mechanisms of pathogenicity, transmission and virulence.

The impact of globalization on the emergence and spread of pathogens is an important veterinary and public health issue. Staphylococcus aureus is a notorious human pathogen associated with serious nosocomial and community-acquired infections. In addition, S. aureus is a major cause of animal diseases including skeletal infections of poultry, which are a large economic burden on the global broiler chicken industry. Here, we provide evidence that the majority of S. aureus isolates from broiler chickens are the descendants of a single human-to-poultry host jump that occurred approximately 38 years ago (range, 30 to 63 years ago) by a subtype of the worldwide human ST5 clonal lineage unique to Poland. In contrast to human subtypes of the ST5 radiation, which demonstrate strong geographic clustering, the poultry ST5 clade was distributed in different continents, consistent with wide dissemination via the global poultry industry distribution network. The poultry ST5 clade has undergone genetic diversification from its human progenitor strain by acquisition of novel mobile genetic elements from an avian-specific accessory gene pool, and by the inactivation of several proteins important for human disease pathogenesis. These genetic events have resulted in enhanced resistance to killing by chicken heterophils, reflecting avian host-adaptive evolution. Taken together, we have determined the evolutionary history of a major new animal pathogen that has undergone rapid avian host adaptation and intercontinental dissemination. These data provide a new paradigm for the impact of human activities on the emergence of animal pathogens.

Wolbachia are intracellular bacterial symbionts that are able to protect various insect hosts from viral infections. This tripartite interaction was initially described in Drosophila melanogaster carrying wMel, its natural Wolbachia strain. wMel has been shown to be genetically polymorphic and there has been a recent change in variant frequencies in natural populations. We have compared the antiviral protection conferred by different wMel variants, their titres and influence on host longevity, in a genetically identical D. melanogaster host. The phenotypes cluster the variants into two groups — wMelCS-like and wMel-like. wMelCS-like variants give stronger protection against Drosophila C virus and Flock House virus, reach higher titres and often shorten the host lifespan. We have sequenced and assembled the genomes of these Wolbachia, and shown that the two phenotypic groups are two monophyletic groups. We have also analysed a virulent and over-replicating variant, wMelPop, which protects D. melanogaster even better than the closely related wMelCS. We have found that a ∼21 kb region of the genome, encoding eight genes, is amplified seven times in wMelPop and may be the cause of its phenotypes. Our results indicate that the more protective wMelCS-like variants, which sometimes have a cost, were replaced by the less protective but more benign wMel-like variants. This has resulted in a recent reduction in virus resistance in D. melanogaster in natural populations worldwide. Our work helps to understand the natural variation in wMel and its evolutionary dynamics, and inform the use of Wolbachia in arthropod-borne disease control.

ABSTRACT The importance of livestock as a source of bacterial pathogens with the potential for epidemic spread in human populations is unclear. In recent years, there has been a global increase in community-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus (CA-MRSA) infections of healthy humans, but an understanding of the different evolutionary origins of CA-MRSA clones and the basis for their recent expansion is lacking. Here, using a high-resolution phylogenetic approach, we report the discovery of two emergent clones of human epidemic CA-MRSA which resulted from independent livestock-to-human host jumps by the major bovine S. aureus complex, CC97. Of note, one of the new clones was isolated from human infections on four continents, demonstrating its global dissemination since the host jump occurred over 40 years ago. The emergence of both human S. aureus clones coincided with the independent acquisition of mobile genetic elements encoding antimicrobial resistance and human-specific mediators of immune evasion, consistent with an important role for these genetic events in the capacity to survive and transmit among human populations. In conclusion, we provide evidence that livestock represent a reservoir for the emergence of new human-pathogenic S. aureus clones with the capacity for pandemic spread. These findings have major public health implications highlighting the importance of surveillance for early identification of emergent clones and improved transmission control measures at the human-livestock interface. IMPORTANCE Animals are the major source of new pathogens affecting humans. However, the potential for pathogenic bacteria that originally were found in animals to switch hosts and become widely established in human populations is not clear. Here, we report the discovery of emergent clones of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) that originated in livestock and switched to humans, followed by host-adaptive evolution and epidemic spread in global human populations. Our findings demonstrate that livestock can act as a reservoir for the emergence of new human bacterial clones with potential for pandemic spread, highlighting the potential role of surveillance and biosecurity measures in the agricultural setting for preventing the emergence of new human pathogens.

Abstract Antimicrobial resistance (AMR) is among the gravest threats to human health and food security worldwide. Pigs receive more antimicrobials than most other livestock, and are a known source of zoonotic disease. We studied AMR in Streptococcus suis , a commensal found in most pigs, but which can also cause serious disease in both pigs and humans. We obtained replicated measures of Minimum Inhibitory Concentration (MIC) for 16 antibiotics, across a panel of 678 isolates, from the major pig-producing regions of the world. For several drugs, there was no natural separation into “resistant” and “susceptible”, highlighting the need to treat MIC as a quantitative trait. We found differences in MICs between countries, consistent with their patterns of antimicrobial usage. AMR levels were high even for drugs not used to treat S. suis , with many multi-drug resistant isolates. And similar levels of resistance were found in pigs and humans from zoonotic regions. We next used whole genome sequences for each isolate to identify 43 candidate resistance determinants, 22 of which were novel in S. suis . The presence of these determinants explained most of the variation in MIC. But there were also complications, including epistatic interactions, where known resistance alleles had no effect in some genetic backgrounds. Beta-lactam resistance involved many variants of small effect, appearing in a characteristic order. Our results confirm the potential for genomic data to aid in the fight against AMR, but also demonstrate that it cannot be tackled one species or one drug at a time.

Abstract Emerging bacterial pathogens threaten global health and food security, and so it is important to ask whether these transitions to pathogenicity have any common features. We present a systematic study of the claim that pathogenicity is associated with genome reduction and gene loss. We compare broad-scale patterns across all bacteria, with detailed analyses of Streptococcus suis, a zoonotic pathogen of pigs, which has undergone multiple transitions between disease and carriage forms. We find that pathogenicity is consistently associated with reduced genome size across three scales of divergence (between species within genera, and between and within genetic clusters of S. suis ). While genome reduction is most often associated with bacterial endosymbionts, other correlates of symbiosis (reduced metabolic capacity, GC content, and the expansion of non-coding elements) are not found consistently in pathogens, and genome reduction in pathogens cannot be attributed to changes in intracellularity or host restriction. Together, our results indicate that genome reduction is a predictive marker of pathogenicity in bacteria, and that the causes and consequences of genome reduction in pathogens are sometimes distinct from those in endosymbionts.

Abstract Bacterial secondary symbionts are very common in terrestrial arthropods, but infection levels vary widely among populations. Experiments and within-species comparisons both suggest that environmental temperature might be important in explaining this variation. To investigate the importance of temperature, at broad geographical and taxonomic scales, we extended a global database of terrestrial arthropods screened for Wolbachia and Cardinium . Our final data set contained data from 114,297 arthropods (>2,500 species) screened for Wolbachia and 17,011 arthropods (>800 species) screened for Cardinium , including population samples from 137 different countries, and with mean temperatures varying from - 6.5 to 29.2°C. In insects and relatives, Cardinium infection showed a clear and consistent tendency to increase with temperature. For Wolbachia , a tendency to increase with temperature in temperate climates, is counteracted by reduced prevalence in the tropics, resulting in a weak negative trend overall. We discuss the implications of these results for natural and introduced symbionts, in regions affected by climate change.

Abstract Colistin represents one of the very few available drugs for treating infections caused by carbapenem resistant Enterobacteriaceae (CRE). As such, the recent plasmid-mediated spread of the mobilized colistin resistance gene mcr-1 poses a significant public health threat requiring global monitoring and surveillance. In this work, we characterize the global distribution of mcr-1 using a dataset of 457 mcr-1 positive sequenced isolates consisting of currently publicly available mcr-1 carrying sequences combined with an additional 110 newly sequenced mcr-1 positive isolates from China. We find mcr-1 in a diversity of plasmid backgrounds but identify an immediate background common to all mcr-1 sequences. Our analyses establish that all mcr-1 elements in circulation descend from the same initial mobilization of mcr-1 by an ISA pl1 transposon in the mid 2000s (2002-2008; 95% higher posterior density), followed by a dramatic demographic expansion, which led to its current global distribution. Our results provide the first systematic phylogenetic analysis of the origin and spread of mcr-1 , and emphasize the importance of understanding the movement of mobile elements carrying antibiotic resistance genes across multiple levels of genomic organization.