《Food Research International》：Genomic insights into the evolution and adaptation of
Listeria monocytogenes in poultry production systems
编辑推荐：
单增李斯特菌基因组泛分析揭示工业食品系统驱动其进化，基于1788个禽类来源菌株（1940-2024），整合系统发育、种群动态和泛基因组分析，发现种群规模在农业工业化期间（1950s-1980s）五倍增长后骤降，与食品安全措施实施相关。泛基因组显示65.17%云基因构成，表明高度基因组可塑性，并揭示禽类、蛋类、宠物食品等来源的毒力基因保守性及环境特异性适应。该研究为通过泛基因组监测云基因指导的适应性进化提供新策略。
李张|石井聪志|迈克尔·J·罗斯洛克|阿德卢莫拉·奥拉德因德|李翔
美国密西西比州立大学家禽科学系，密西西比州39762
摘要
单核细胞增生李斯特菌（Lm）是一种重要的食源性病原体，其进化过程受到工业食品系统扩张的影响。为了研究这些适应性动态，我们对1940年至2024年间收集的1788株与家禽相关的Lm分离株进行了全面的基因组分析。我们结合了系统基因组学、人口统计建模和泛基因组分析，重建了该病原体在人类活动压力下的进化历史。泛基因组分析显示，该病原体具有开放的泛基因组结构，其中包含大量的辅助基因（占65.17%），表明其基因组具有显著的可塑性。人口统计重建表明，从1940年到1980年左右，该病原体的有效种群规模增加了五倍，这与家禽生产的工业化进程相吻合。随后种群规模急剧下降，这可能反映了现代食品安全干预措施的实施。全基因组关联研究发现了与特定分离源（包括鸡肉、鸡蛋和宠物食品）显著相关的辅助基因组，其中宠物食品分离株表现出独特的遗传特性。尽管经历了广泛的环境适应，但关键的毒力决定因子在所有分离株中都高度保守，证实了其致病潜能。总体而言，这些发现表明工业食品系统是Lm进化的主要驱动力，促进了生态位的专门化同时保持了其毒力。这项研究强调了将基于泛基因组的监测整合到食品安全框架中的重要性，通过监测驱动生态位适应的辅助基因，可以补充传统的分型方法（如wgMLST/cgMLST）。这种方法有助于识别持续存在机制并追踪交叉污染的来源，从而更好地预测和缓解风险。
引言
食源性病原体对全球食品安全构成了重大挑战，而单核细胞增生李斯特菌（Lm）尤其具有威胁性，因为它能够在恶劣环境中存活，并在易感人群中引起严重疾病。对即食食品中Lm实施零容忍政策反映了该病原体的临床重要性（食品法典委员会，2007年；世界卫生组织，2022年），因为李斯特菌病可能导致脑膜炎、败血症和胎儿死亡，在高风险群体中的病例死亡率超过20%（Allerberger & Wagner，2010年；Archer，2018年）。
最近与家禽产品相关的多州暴发事件凸显了在工业食品系统中控制Lm的持续挑战。2021年，一起即食鸡肉暴发导致美国多个州出现多例住院和死亡病例（CDC，2021年），而同时发生的欧洲暴发事件则显示了家禽相关李斯特菌病的全球范围（Ricci等人，2018年）。这些事件突显了该病原体在加工环境中持续存在以及适应现代食品生产系统中多种生态位的能力。
过去一个世纪食品生产系统的扩张和集约化从根本上改变了细菌病原体的生态格局。在美国，这一工业化进程特别是在1950至1980年间，从小型、多样化的养殖场转变为垂直整合的大规模运营。这些现代系统的特点是动物密度高、机械化的高通量加工以及延长的冷链分销网络（Davis等人，2011年；Jones等人，2013年）。这样的环境可能创造出促进持续存在、传播和进化适应的新条件（Allerberger & Wagner，2010年；Scallan等人，2011年）。通过积累特定环境的特征，这些新环境有可能加速微生物种群的适应性多样化（Didelot等人，2016年）。因此，理解这些进化动态对于制定基于证据的食品安全策略至关重要（Rasko & Sperandio，2010年）。
传统的表型鉴定方法，包括基于体抗原（O）和鞭毛抗原（H）的血清分型，在2004年经过国际验证后大多被基因血清群（基于PCR的方法）所取代（Doumith等人，2004年）。然而，即使是这些分子方法也无法充分解释Lm生态成功背后的基因组多样性（Lukinmaa等人，2003年）。虽然血清分型对初步的流行病学调查有用，但它无法捕捉到影响环境持久性、耐受性和毒力潜力的广泛遗传变异（Orsi等人，2011年）。
全基因组测序（WGS）和泛基因组分析为剖析病原体的适应性和持续存在提供了前所未有的机会。泛基因组方法能够区分对基本细胞功能至关重要的核心基因和通常编码与生态位专门化和环境适应相关特征的辅助基因（Gautreau等人，2020年；Preska Steinberg等人，2022年）。这种区分对于理解像Lm这样的病原体如何在工业食品系统的不同环境中生存尤为重要。
在这里，我们对1940年至2024年间从家禽相关来源收集的1788株Lm分离株进行了全面的基因组分析，结合了系统基因组重建、人口统计建模和泛基因组范围的相关性研究。本研究揭示了与农业工业化相对应的显著的人口增长趋势、反映生态位专门化的广泛辅助基因组多样性，以及具有基因血清群特异性变异的保守毒力结构。这些发现为理解Lm如何适应工业食品系统提供了关键见解，并为有针对性的控制策略提供了基于证据的基础。
章节摘录
基因组数据集和元数据分类
基因组组装及相关元数据来自NCBI病原体检测数据库（2024年6月）。为了确保基因组质量，我们将数据集限制在通过内部质量控制筛选的有效GenBank组装（GCA访问号码）上。该系统使用K-mer距离分析自动筛查污染和分类一致性，任何被标记为异常的组装都被排除在外。我们的数据集包含1788株与家禽相关的Lm基因组泛基因组结构揭示了广泛的基因组可塑性
我们的泛基因组分析在所有1788株Lm分离株中发现了9698个基因，其分布高度偏斜，这是开放泛基因组的特征（见图1）。核心基因组包含2215个基因（22.84%，见图1），而广泛的辅助基因组包含6320个基因（65.17%），这些基因仅存在于15%的分离株中。这一庞大的辅助基因库代表了适应特定生态位的巨大潜力。功能分类显示，核心基因主要由...
基因组可塑性赋予生态多样性
发现云基因占Lm泛基因组的65.17%，显示出令人印象深刻的基因组可塑性，这可能支持了该病原体在各种家禽生产环境中的生态成功（见图4）。这一广泛的辅助基因组远远超过了其他许多食源性细菌病原体（如沙门氏菌的40-50%辅助基因和弯曲杆菌的30-40%辅助基因），为占领新生态位提供了出色的适应潜力结论
这项对1788株跨越八十年的家禽相关Lm基因组的全面泛基因组分析表明，这种重要的食源性病原体已经经历了对工业食品系统的广泛进化适应。与农业工业化相吻合的显著种群扩张，加上广泛的基因组可塑性和明确的来源特异性生态位专门化证据，表明人类活动引起的环境变化深刻影响了病原体
CRediT作者贡献声明
李张：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，资源管理，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。石井聪志：撰写 – 审稿与编辑，方法学，概念化。迈克尔·J·罗斯洛克：撰写 – 审稿与编辑，概念化。阿德卢莫拉·奥拉德因德：撰写 – 审稿与编辑，概念化。李翔：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。致谢
作者衷心感谢田纳西大学诺克斯维尔分校和田纳西大学农业研究所动物科学系的财政支持。本出版物是密西西比农业和林业实验站的贡献成果。该材料基于USDA-ARS CA（项目编号59-6064-4-001、59-6064-4-003、59-6066-4-007）、USDA NIFA CRIS（项目编号MIS-322430/NE2442、MIS-300005/NE2442）以及USDA-ARS NACA（项目编号58-6066-0-064）项目的支持。
