Quinolone resistant Escherichia coli in Norwegian livestock : a comparative genomics study

Abstract

The occurrence of antimicrobial resistance in Norwegian livestock is generally low. This is a consequence of good animal health and welfare, which reduces the need for antimicrobial use. Quinolones are important antimicrobial compounds both for human and animal health. An increased occurrence of resistance towards these compounds in livestock have been observed in many European countries. In Norway, the use of quinolones in livestock has been restricted. Prophylactic use of any antimicrobial is prohibited. The Norwegian monitoring programme for antimicrobial resistance in feed, food and animals (NORM‑VET) performs surveillance of antimicrobial resistance among commensal E. coli. The programme identified a low occurrence of quinolone resistance among several tested animal species. However, quinolone resistant E. coli (QREC) has been detected at low levels in a high proportion of samples from both pigs and broilers. Due to the low quinolone usage, this finding was somewhat surprising. Thus, further investigation of the origin of these bacteria was warranted. The aim of this study was to compile existing data on quinolone resistance occurrence. Furthermore, quinolone resistance mechanism characterization was performed. Relationships between the isolates were investigated by using a high resolution phylogenetic approach. The results showed a low occurrence of QREC among the included animal species. A significantly higher occurrence was observed in broilers. In silico characterization of quinolone resistance mechanisms identified chromosomal mutations as the major resistance determinant. Phylogenetic analysis of QREC provided evidence for dissemination in the broiler and pig production chains. Possible persistence of QREC was detected in the broiler production environment. Major QREC sequence types were detected among the samples from broilers. Some of these sequence types had previously been reported in other Nordic countries. Furthermore, phylogenetic analysis indicate that commensal E. coli rarely develop quinolone resistance in the broiler production environment. These results provide evidence for introduction of QREC to the Norwegian broiler production via imported breeding birds. The results highlight the importance of biosecurity measures at the top of the pyramid, to prevent dissemination of QREC.

Norge har en av de laveste forekomstene av antibiotikaresistens i verden grunnet god dyrehelse og –velferd. Forbruket av kinoloner, som er svært viktige antibiotika for både dyr og mennesker, er svært lavt i Norge, og profylaktisk bruk av antibiotika er forbudt i husdyrproduksjonen. I mange andre europeiske land er det oppdaget en økende forekomst av kinolonresistente E. coli (QREC), som sannsynligvis er koblet til et økt forbruk av dette antibiotikumet. I Norge derimot viser data fra overvåkningsprogrammet for antibiotikaresistens i mikrober fra fôr, dyr og næringsmidler (NORM‑VET) en lav totalforekomst av QREC blant norske husdyr. QREC har likevel blitt detektert fra en stor andel prøver fra gris og slaktekylling, men mengden QREC i hver prøve ser ut til å være lav. Disse funnene førte til spørsmål rundt deres opphav. Målet med dette prosjektet var å sammenfatte eksisterende data på forekomst av QREC i ulike dyrearter i Norge, karakterisere kinolonresistensmekanismer i QREC stammer, samt beskrive forholdet mellom stammene ved bruk av dype fylogenetiske metoder. Resultatene viser en overordnet lav forekomst av QREC, men en signifikant høyere relativ forekomst ble observert i slaktekylling. Kromosomale mutasjoner ble identifisert som hovedmekanisme for den observerte kinolonresistensen. Fylogenetiske analyser av sekvensdataene viste en klonal spredning av QREC i både slaktekyllingproduksjonen og slaktegrisproduksjonen, og mulig persistens av QREC i miljøet der slaktekyllingene oppholder seg. Videre fylogenetisk analyse av både villtype E. coli og QREC viste at villtype E. coli i liten grad utvikler kinolonresistens i slaktekyllingproduksjonen. Resultatene viser at introduksjon av QREC fra importerte foreldredyr er hovedårsaken til den observerte forekomsten av QREC i den norske slaktekyllingproduksjonen. Disse resultatene belyser viktigheten av biosikkerhetstiltak høyere i slaktekyllingpyramiden for å hindre spredning av QREC nedover i produksjonen.