《Microbiology Spectrum》：Assessing transcriptomic responses of Salmonella Infantis in the presence of poultry litter
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本实验旨在阐明肠炎沙门氏菌（S. Infantis）在鸡舍垫料中的存续机制。通过转录组学分析细菌在垫料存在下的基因表达变化，研究发现S. Infantis能通过上调应激反应和代谢相关基因，适应营养匮乏（如PBS培养基）和缺氧（如垫料）的挑战性环境。在垫料环境中，细菌利用替代碳源和厌氧呼吸系统（如dmsA、ttrB、fdnG等基因）以适应代谢，并下调部分毒力基因（如invA、sopD），这揭示了其在再利用垫料中存活并降低致病性的潜在策略，为控制禽类沙门氏菌流行提供了新的科学见解。
引言背景
沙门氏菌病是美国主要食源性疾病之一，由革兰氏阴性菌沙门氏菌引起，其中非伤寒沙门氏菌病（NTS）是重要的人畜共患病。禽类是人类感染NTS血清型的主要宿主，而沙门氏菌英凡提斯（Salmonella Infantis）近年来在肉鸡和鸡肉中的分离率呈现上升趋势，可能成为未来人类沙门氏菌病的主要诱因之一。鸡舍垫料由垫料、粪便、羽毛和饲料组成，为包括沙门氏菌在内的多种微生物提供了有利的生存环境。在美国商业化生产系统中，重复利用垫料养殖多批肉鸡是常见做法，这使得垫料可能成为沙门氏菌在不同鸡群间传播的媒介。因此，理解沙门菌在再利用垫料中的存活机制至关重要。
材料与方法
本研究使用沙门氏菌英凡提斯BAA 1675菌株。实验设置了四组处理：（1）脑心浸液肉汤（BHI），（2）BHI加垫料（BHI+Litter），（3）磷酸盐缓冲盐水（PBS），（4）PBS加垫料（PBS+Litter）。所有处理接种S. Infantis并在37°C培养24小时，之后提取RNA。通过Illumina平台进行测序，使用HISAT2将读数与参考基因组比对，HTSeq获取读数计数，DESeq2分析差异基因表达。重点比较了BHI与BHI+Litter、PBS与PBS+Litter以及PBS与BHI三组。
结果与讨论
与参考基因组的比对
当细菌在BHI和PBS中培养时，与参考基因组的比对相似度很高（约90%）。相反，当S. Infantis在含有垫料的BHI和PBS中培养时，平均比对率降至约50%，这可能是垫料中已有背景菌群干扰所致。主坐标分析显示，PBS和BHI处理形成明显不同的簇，而PBS+Litter和BHI+Litter则形成几乎相似的簇，这揭示了不同处理下转录组的显著差异。
差异表达基因
饥饿胁迫
在营养贫乏的PBS培养基中，与PBS+Litter相比，细菌的rpoS和dksA基因表达上调，表明其在营养缺乏条件下启动了生存策略。与乙醇胺和丙二醇利用相关的eutS和pduF基因在PBS中表达上调，提示细菌可能尝试利用这些替代能源。脂肪酸降解（fad）基因（如fadA, fadB, fadD, fadE等）在含有垫料的培养基中（BHI+Litter, PBS+Litter）表达下调，表明垫料提供了充足营养，细菌无需分解脂肪酸供能；而在无垫料的PBS和BHI中这些基因上调，意味着细菌可能利用细胞膜磷脂来应对营养匮乏。
替代（厌氧）呼吸系统的表达
在垫料存在的情况下，替代呼吸系统相关基因显著上调。与无垫料的PBS相比，PBS+Litter中呼吸甲酸脱氢酶-N基因fdnG和fdnH、二甲亚砜还原酶基因dmsA、dmsB、dmsC以及连四硫酸盐呼吸基因ttrB和ttrC均表达上调。这突出了S. Infantis在垫料所提供的氧受限环境中，通过激活多种替代呼吸途径（利用甲酸盐、DMSO、连四硫酸盐等作为末端电子受体）进行代谢适应的强大能力。
氧化应激基因
细菌在利用营养进行生长繁殖时会产生活性氧（ROS），S. Infantis通过上调相关基因来中和这些自由基。烷基过氧化氢还原酶基因ahpC和ahpF在BHI+Litter和PBS+Litter中上调。过氧化氢酶-过氧化物酶基因katG在PBS+Litter中上调。调控基因soxR和soxS在BHI+Litter中上调。这些结果表明，在垫料环境中生长的细菌可能面临一定的氧化应激，并激活了相应的防御机制。另一方面，与热应激感知相关的cpxP和degP基因在垫料处理中表达下调，表明细菌未遭遇热应激，且垫料的酸性环境可能抑制了这些基因的表达。
酸和渗透胁迫
在垫料存在的情况下，与氨基酸依赖性酸抵抗机制相关的基因表达上调。在BHI+Litter中，精氨酸脱羧酶基因adiA、赖氨酸脱羧酶基因cadA及其转运蛋白基因cadB均上调。同时，厌氧亚硫酸盐还原酶基因asrA、asrB、asrC也在BHI+Litter和PBS+Litter中上调，这可能是垫料中有机物分解产生酸性环境所诱导的细菌响应。此外，渗透胁迫相关基因osmW、osmX、osmY在PBS+Litter中上调，表明细菌为应对可能由营养利用产生的渗透压变化采取了适应策略。
抗菌肽胁迫
在垫料环境中，细菌可能接触到环境中存在的抗菌分子。多药耐药调控基因marA和marR在BHI+Litter和PBS+Litter中显著上调，提示细菌可能激活了防御机制。同时，与细菌荚膜合成和毒力调控相关的传感器激酶基因rcsC、与毒力相关的基因pagN以及与氨基酸代谢物解毒相关的基因ygiC在垫料处理中表达下调。这可能是一种生存策略，在微生物竞争激烈的垫料环境中，S. Infantis通过减少某些表面结构和毒力因子的表达，以降低被识别和攻击的风险，确保存活。
细胞被膜结构、趋化性与运动性
细菌的外膜蛋白和运动器官对其环境适应至关重要。推测的转运蛋白基因yohC在营养贫乏的PBS中表达上调，可能与碳饥饿应激响应有关。外膜蛋白（Omp）基因的表达变化复杂：ompD在BHI+Litter中下调，在PBS+Litter和BHI中（相较于PBS）上调；ompF在垫料处理中下调；ompW在PBS+Litter和BHI中上调。这些变化可能与调节营养物质运输、废物排出以及适应不同环境的渗透压和酸碱度有关。在运动性方面，大量鞭毛合成基因（fliA, fliC, fliD等）和趋化性基因（cheB, cheR等）在PBS+Litter中（相较于PBS）显著上调，表明在营养相对贫乏但含有复杂有机物的垫料-PBS环境中，细菌倾向于发展运动能力以搜寻营养。然而，在营养丰富的BHI+Litter中，这些基因大多下调或不变，意味着细菌可能节省能量，无需积极运动。
毒力基因
一个关键的发现是，与无垫料的培养基相比，S. Infantis在垫料环境中的毒力基因表达普遍降低。在BHI+Litter中，沙门氏菌致病岛1（SPI-1）的关键调控基因hilA和invF，以及效应蛋白基因invA、sopB、sopD、sopE和Ⅲ型分泌系统装置基因sipB、sipD等均显著下调。这表明，在充满竞争、资源复杂但相对稳定的垫料生态位中，S. Infantis可能降低了其侵袭性表型，将能量更多地分配于基础代谢和应激抵抗，以适应环境并持续存在，而非积极表达高能耗的毒力因子。
结论
本研究在24小时的实验期内，观察了S. Infantis在不同培养基质中的生存策略。细菌表现出通过调节基因表达来适应营养丰富和营养匮乏环境的强大可塑性。研究发现，细菌能够利用垫料中广泛存在的营养物质，通过多种呼吸途径获取生长和繁殖所需的能量。同时，细菌能有效应对氧化应激、酸应激和抗菌肽应激等环境压力。尤为重要的是，S. Infantis在垫料中降低了毒力基因的表达，这一发现揭示了其在禽类养殖环境中一种潜在的“低调”存活策略，为理解沙门氏菌在农场环境中的持久性机制和控制其传播提供了重要的转录组学见解。
