Evidence of selective pressure and horizontal gene transfer among ruminal bacteria support a high prevalence of antibiotic resistance in the rumen microbiome

Abstract

Infections caused by multidrug resistant (MDR) bacteria represent a therapeutic challenge both in clinical settings and in livestock production. Although antibiotics have been frequently used in cattle production, the distribution of antibiotic resistant genes (ARGs) in microorganisms that colonize the gastrointestinal tract (GIT) of ruminants is not well understood. In this study, we investigated the resistome of 435 genomes of ruminal bacteria and archaea and compared some of their phenotypes in vitro to their genotypes based on annotations of ARGs. We found that the number and classes of ARGs detected in ruminal bacteria genomes varied according to the computational tools used to search for antibiotic resistance. Genes encoding resistance to tetracycline were highly abundant/distributed in the genomes of ruminal bacteria and analysis of the d N /d S ratio indicated that the tet(W) gene in particular is under positive selective pressure. Our findings also revealed that the tet(W) gene is located in an novel integrative and conjugative element (ICE), suggesting a potential mechanism for horizontal transfer of tetracycline resistance in the rumen microbiota. Transcriptomic analyses showed that several ARGs are active in the rumen microbiome and were highly expressed in the GIT of humans. Some of the resistance phenotypes predicted in silico (31.5%) were also confirmed in vitro. Our data provide insight into the ARG profile of ruminal bacteria and reveal the potential role of mobile genetic elements in shaping the resistome of the rumen microbiome, with implications in human and animal health.

As infecções causadas por bactérias multirresistentes a antibióticos representam um desafio terapêutico tanto em ambientes clínicos como na produção pecuária. Apesar do uso frequente de antibióticos na produção de bovinos, a distribuição de genes de resistência a antibióticos em microrganismos que colonizam o trato gastrointestinal de ruminantes é pouco conhecida. Neste estudo, o resistoma de 435 genomas de bactérias e archaea ruminais foi investigado e alguns dos perfis de resistência identificados nesses genomas foram caracterizados in vitro. Os resultados mostraram que o número e as classes dos genes de resistência a antibióticos detectados nos genomas ruminais variam de acordo com as ferramentas computacionais utilizadas para a mineração dos genomas. Os genes que codificam resistência à tetraciclina foram abundantes nos genomas das bactérias do rúmen e a análise da relação d N /d S indicou que o gene tet(W), em particular, está sob pressão seletiva positiva. As análises também revelaram que o gene tet(W) está localizado em um novo elemento integrativo e conjugativo, sugerindo um mecanismo potencial para a transferência horizontal da resistência à tetraciclina na microbiota ruminal. Análises transcriptômicas mostraram que vários genes de resistência a antibióticos estão ativos no microbioma ruminal e também são expressos no trato gastrointestinal de humanos. Alguns dos fenótipos de resistência preditos in silico (31,5%) foram confirmados in vitro. Esse estudo expande os conhecimentos sobre o perfil de resistência a antibióticos em bactérias do rúmen e revela o papel potencial dos elementos genéticos móveis na modulação do resistoma do microbioma ruminal, com implicações para a saúde humana e animal.