Phenotypic and genotypic features of the Salmonella enterica serovar Heidelberg strain UFPR1 and insights about intestinal microbiota in feral and broiler chickens

Abstract

Resumo: Salmonelas paratíficas são patógenos relevantes sob uma perspectiva clínica e de saúde pública. A Salmonella enterica sorovar Heidelberg (SH) frequentemente causa doenças transmitidas por alimentos em humanos e é frequentemente encontrada em avicultura em vários países, causando perdas econômicas e preocupações relacionadas à saúde pública. Neste cenário, gerou-se uma riqueza de informações sobre uma cepa emergente brasileira de SH, UFPR1, a fim de compreender sua variação genética, patogenicidade, resistência e medidas alternativas de controle. No Capítulo 1, o primeiro genoma completo da cepa SH UFPR1 é relatado, revelando 11 fragmentos genômicos ausentes em comparação a uma cepa SH resistente a múltiplos fármacos, o que explica a alta suscetibilidade a antibióticos e resistência a ácidos orgânicos de cadeia curta. No Capítulo 2, um probiótico composto por três cepas de Bacillus subtilis melhorou o desempenho animal quando alimentado a 250 g/ton e reduziu a colonização de SH UFPR1 no trato gastrintestinal. O probiótico mobilizou as células imunes e promoveu importantes alterações histológicas, relacionada à ativação da resposta de defesa e absorção intestinal. Além disso, a suplementação de probiótico aumentou a diversidade da microbiota cecal e alterou alguns grupos bacterianos comensais no íleo. Estudos sobre o microbioma intestinal e a imunidade inata em frangos geneticamente diferentes e inseridos em ambientes mais naturais são raros e podem nos fornecer ideias sobre a evolução e a ecologia dos patógenos, comensais e hospedeiro. No Capítulo 3, estudamos duas populações de aves feralizadas em Bermudas e no Havaí, comparando a composição da microbiota intestinal e a resposta imune inata a um grupo de frangos de corte comerciais. O sequenciamento de alto rendimento revelou a presença de uma microbiota central e algumas comunidades exclusivas em aves feralizadas e comerciais. A perda progressiva da diversidade microbiana no grupo de frangos de corte pode estar correlacionada a uma resposta imune inata vulnerável e interessantemente mediada por toll-like receptors (TLRs). Mais estudos serão necessários para distinguir características genotípicas e fenotípicas de diferentes cepas e variantes de Salmonella, a fim de melhorar e identificar medidas específicas de controle. Além disso, mais pesquisas envolvendo a feralização são úteis para esclarecer e explorar possíveis elos relacionados a mudanças evolutivas concomitantes, visando melhorar a produtividade e produzir produtos avícolas mais seguros. Palavras-chave: feralização, high throughput sequencing, microbioma, Salmonella Heidelberg, saúde intestinal, whole genome sequencing, probiótico.

Abstract: Non-typhoidal Salmonella are relevant pathogens under a clinical and public health perspective. Salmonella enterica serovar Heidelberg (SH) frequently causes food-borne illness in humans and are frequently found in broiler operations in several countries, causing economic losses and health-related concerns. This research effort has generated a wealth of information on an emergent Brazilian SH, UFPR1 strain, in order to understand its genetic variation, pathogenicity, resistance and alternative measures of control. In the Chapter 1, the first complete genome of SH UFPR1 strain is reported, revealing 11 missing genomic fragments in comparison with a multidrug resistant SH strain, which explains the high susceptibility to antibiotics and short-chain organic acids resistance. In the Chapter 2, a probiotic composed by three strains of Bacillus subtilis improved animal performance when fed at 250 g/ton and reduced SH UFPR1 colonization in the gastrointestinal tract. The probiotic mobilized immune cells and promoted important histologic alteration, related to activation of defense response and gut absorption. In addition, the supplementation of probiotic increased the diversity of cecal microbiota and increased some commensal bacterial groups in ileum. Studies about gut microbiome and innate immunity in chickens genetically different and inserted in more natural environments are rare and can provide us insights about evolution and ecology of the pathogens, commensals and the host. In the Chapter 3, we studied two populations of feral chickens in Bermuda and Hawaii, comparing their gut microbiota composition and innate immune response to a group of modern broiler chickens. High throughput sequencing revealed the presence of a core microbiota and some exclusive taxa in feral and broiler chickens. The progressive loss of the microbial diversity in the broilers group may be correlated to a vulnerable and interesting innate immune response mediated by TLRs. Further work will be needed to distinguish genotypic and phenotypic features of different Salmonella serovars and strains in order to enhance and identify specific measures of control. Also, more research involving feralization is useful to clarify and explore possible links related to concomitant evolutionary changes, aiming to improve productivity and produce safer poultry products. Key-words: feralization, gut health, high throughput sequencing, microbiome, probiotic, Salmonella Heidelberg, whole-genome sequencing.