For the last 150 years many studies have shown the importance of earthworms for plant growth, but the exact mechanisms involved in the process are still poorly understood. Many important functions required for plant growth can be performed by soil microbes in the rhizosphere. To investigate earthworm influence on the rhizosphere microbial community, it was performed a macrocosm experiment with and without Pontoscolex corethrurus (EW+ and EW-, respectively) and followed various soil and rhizosphere processes for 217 days with sugarcane. In the second chapter of this thesis it was demonstrate that in EW+ treatments, N2O concentrations belowground (15 cm depth) and relative abundances of nitrous oxide genes (nosZ) were higher in bulk soil and rhizosphere, suggesting that soil microbes were able to consume earthworm-induced N2O. Shotgun sequencing (total DNA) revealed that around 70 microbial functions in bulk soil and rhizosphere differed between EW+ and EW- treatments. Overall, genes indicative of biosynthetic pathways and cell proliferation processes were enriched in EW+ treatments, suggesting a positive influence of worms. In EW+ rhizosphere, functions associated with plant-microbe symbiosis were enriched relative to EW- rhizosphere. Ecological networks inferred from the datasets revealed decreased niche diversification and increased keystone functions as an earthworm-derived effect. Plant biomass was improved in EW+ and worm population proliferated. Considering that earthworms contributed to with extra resources, it was evaluated in chapter three response of the soil resistome of sugarcane macrocosms under the influence of earthworms. Mechanisms of resistance against antimicrobial compounds appear to be an obligatory feature for the ecology and evolution of prokaryotic forms of life. However, most studies on resistance dynamics have been conducted in artificial conditions of anthropogenic inputs of antibiotics into very specific communities such as animal microbiomes. To resolve why and how resistance evolves, it is important to track antibiotics resistance genes (ARGs) (i.e., the resistome) in their natural hosts and understand their ecophysiological role in the environment. The results demonstrated that earthworms influenced changes of ARGs in bulk soil and rhizosphere. Negative correlations between ARGs and taxonomical changes were increased in EW+. Differential betweenness centrality (DBC=nBCEW+ - nBCEW-) values comparing the network models with and without earthworms showed earthworm presence changed the composition and the importance of the keystone members from the models. Redundancy analysis suggested that ARGs may be associated with microbial fitness, as the variance of relative abundance of members of the group Rhizobiales could be significantly explained by the variance of a specific gene responsible for one mechanism of tetracycline detoxification / Ao longo dos últimos 150 anos muitos estudos têm demonstrado a importância das minhocas para o crescimento de plantas. Porém o exato mecanismo envolvido neste processo ainda é muito pouco compreendido. Muitas funções importantes necessárias para o crescimento de plantas podem ser realizadas pela comunidade microbiana da rizosfera. Para investigar a influência das minhocas na comunidade microbiana da rizosfera, foi desenvolvido um experimento de macrocosmo com cana-de-açúcar com e sem Pontoscolex corethrurus (EW+ e EW-, respectivamente) seguindo diversos procedimentos por 217 dias. No Segundo capítulo da tese é demonstrado que no tratamento EW+, as concentrações de N2O dentro do solo (15 cm profundidade) e a abundância relativa dos genes óxido nitroso redutase (nosZ) foram elevadas no solo e na rizosfera, sugerindo que microrganismos do solo foram capazes de consumir a emissão de N2O induzida pelas minhocas. O sequenciamento do DNA total revelou que aproximadamente 70 funções microbianas no solo e na rizosfera apresentaram diferenças entre os tratamentos EW+ e EW-. No geral, genes associados a biossíntese e proliferação de células foram enriquecidos em EW+, sugerindo uma influencia positiva por parte das minhocas. Na rizosfera EW+, funções associadas a simbiose entre planta e microrganismos foram relativamente enriquecidas comparado com rizosfera EW-. Modelos de rede de interação ecológica revelam menor número de diversificação de nichos e aumento de funções importantes como um efeito derivado da influência das minhocas. A biomassa das plantas foi aumentada no tratamento EW+ e a população de minhocas proliferou. Considerando que as minhocas contribuíram com o aumento de nutrientes, foi avaliado no capítulo três a resposta do resistoma presente nas comunidades microbianas dos solos do experimento. Mecanismos de resistência contra compostos antimicrobianos parecem ser características obrigatórias para a ecologia e evolução de procariotos. Entretanto, a maior parte dos estudos sobre genes de resistência tem sido conduzida em condições artificiais utilizando fontes antropogênicas de antibióticos em comunidades microbianas muito específicas como por exemplo o microbioma animal. Para resolver por que e como a resistência evolui, é importante estudar genes de resistência a antibióticos (GRA) (i.e., resistoma) no seu ambiente natural e entender seu papel ecofisiologico no ambiente. Os resultados demonstraram que minhocas influenciaram a mudança na composição de GRA no solo e na rizosfera. Tratamentos EW+ apresentaram maior número de correlações negativas entre ARG e grupos taxonômicos. A medida de centralidade diferencial (DBC=nBCEW+ - nBCEW-) comparando os modelos de rede de interações obtidos mostrou que a composição e o nível de importância dos indivíduos mais influentes é alterado nos tratamentos EW+ comparado com EW-. Além disso, por meio de uma análise de redundância (RDA) foi demonstrado que as alterações na abundancia relativa de GRA podem ser explicadas pelas alterações verificadas em grupos taxonômicos

For the last 150 years many studies have shown the importance of earthworms for plant growth, but the exact mechanisms involved in the process are still poorly understood. Many important functions required for plant growth can be performed by soil microbes in the rhizosphere. To investigate earthworm influence on the rhizosphere microbial community, it was performed a macrocosm experiment with and without Pontoscolex corethrurus (EW+ and EW-, respectively) and followed various soil and rhizosphere processes for 217 days with sugarcane. In the second chapter of this thesis it was demonstrate that in EW+ treatments, N2O concentrations belowground (15 cm depth) and relative abundances of nitrous oxide genes (nosZ) were higher in bulk soil and rhizosphere, suggesting that soil microbes were able to consume earthworm-induced N2O. Shotgun sequencing (total DNA) revealed that around 70 microbial functions in bulk soil and rhizosphere differed between EW+ and EW- treatments. Overall, genes indicative of biosynthetic pathways and cell proliferation processes were enriched in EW+ treatments, suggesting a positive influence of worms. In EW+ rhizosphere, functions associated with plant-microbe symbiosis were enriched relative to EW- rhizosphere. Ecological networks inferred from the datasets revealed decreased niche diversification and increased keystone functions as an earthworm-derived effect. Plant biomass was improved in EW+ and worm population proliferated. Considering that earthworms contributed to with extra resources, it was evaluated in chapter three response of the soil resistome of sugarcane macrocosms under the influence of earthworms. Mechanisms of resistance against antimicrobial compounds appear to be an obligatory feature for the ecology and evolution of prokaryotic forms of life. However, most studies on resistance dynamics have been conducted in artificial conditions of anthropogenic inputs of antibiotics into very specific communities such as animal microbiomes. To resolve why and how resistance evolves, it is important to track antibiotics resistance genes (ARGs) (i.e., the resistome) in their natural hosts and understand their ecophysiological role in the environment. The results demonstrated that earthworms influenced changes of ARGs in bulk soil and rhizosphere. Negative correlations between ARGs and taxonomical changes were increased in EW+. Differential betweenness centrality (DBC=nBCEW+ - nBCEW-) values comparing the network models with and without earthworms showed earthworm presence changed the composition and the importance of the keystone members from the models. Redundancy analysis suggested that ARGs may be associated with microbial fitness, as the variance of relative abundance of members of the group Rhizobiales could be significantly explained by the variance of a specific gene responsible for one mechanism of tetracycline detoxification / Ao longo dos últimos 150 anos muitos estudos têm demonstrado a importância das minhocas para o crescimento de plantas. Porém o exato mecanismo envolvido neste processo ainda é muito pouco compreendido. Muitas funções importantes necessárias para o crescimento de plantas podem ser realizadas pela comunidade microbiana da rizosfera. Para investigar a influência das minhocas na comunidade microbiana da rizosfera, foi desenvolvido um experimento de macrocosmo com cana-de-açúcar com e sem Pontoscolex corethrurus (EW+ e EW-, respectivamente) seguindo diversos procedimentos por 217 dias. No Segundo capítulo da tese é demonstrado que no tratamento EW+, as concentrações de N2O dentro do solo (15 cm profundidade) e a abundância relativa dos genes óxido nitroso redutase (nosZ) foram elevadas no solo e na rizosfera, sugerindo que microrganismos do solo foram capazes de consumir a emissão de N2O induzida pelas minhocas. O sequenciamento do DNA total revelou que aproximadamente 70 funções microbianas no solo e na rizosfera apresentaram diferenças entre os tratamentos EW+ e EW-. No geral, genes associados a biossíntese e proliferação de células foram enriquecidos em EW+, sugerindo uma influencia positiva por parte das minhocas. Na rizosfera EW+, funções associadas a simbiose entre planta e microrganismos foram relativamente enriquecidas comparado com rizosfera EW-. Modelos de rede de interação ecológica revelam menor número de diversificação de nichos e aumento de funções importantes como um efeito derivado da influência das minhocas. A biomassa das plantas foi aumentada no tratamento EW+ e a população de minhocas proliferou. Considerando que as minhocas contribuíram com o aumento de nutrientes, foi avaliado no capítulo três a resposta do resistoma presente nas comunidades microbianas dos solos do experimento. Mecanismos de resistência contra compostos antimicrobianos parecem ser características obrigatórias para a ecologia e evolução de procariotos. Entretanto, a maior parte dos estudos sobre genes de resistência tem sido conduzida em condições artificiais utilizando fontes antropogênicas de antibióticos em comunidades microbianas muito específicas como por exemplo o microbioma animal. Para resolver por que e como a resistência evolui, é importante estudar genes de resistência a antibióticos (GRA) (i.e., resistoma) no seu ambiente natural e entender seu papel ecofisiologico no ambiente. Os resultados demonstraram que minhocas influenciaram a mudança na composição de GRA no solo e na rizosfera. Tratamentos EW+ apresentaram maior número de correlações negativas entre ARG e grupos taxonômicos. A medida de centralidade diferencial (DBC=nBCEW+ - nBCEW-) comparando os modelos de rede de interações obtidos mostrou que a composição e o nível de importância dos indivíduos mais influentes é alterado nos tratamentos EW+ comparado com EW-. Além disso, por meio de uma análise de redundância (RDA) foi demonstrado que as alterações na abundancia relativa de GRA podem ser explicadas pelas alterações verificadas em grupos taxonômicos

The rapid spread of carbapenem-resistant lineages of Klebsiella pneumoniae, clustered within the clonal group CG258, is a growing public health problem associated with healthcareassociated infections. The objective of this study was to perform a genomic analysis of KPC-2 and/or CTX-M β-lactamase-producing strains of K. pneumoniae belonging to CG258 (ST11, ST258, ST340, ST437) circulating at the human-animal-environment interface, in Brazil and South America. The analysis was conducted to characterize the antimicrobial resistome, virulome, genetic elements of transfer and mobilization associated with the dissemination of the blaKPC-2 gene, and to perform a detailed comparative genomic analysis of the CG258; with subsequent pathogenicity evaluation in an invertebrate (Galleria mellonella) model of infection, aiming to identify biomarkers of virulence. The main results are presented in the format of six manuscripts. Manuscript I: New draft genome sequence of a Klebsiella pneumoniae strain 1194/11, belonging to ST340, showing a wide resisto-me. Manuscript II: The first draft genome sequence of a Klebsiella pneumoniae 606B ST340 carrying blaCTX-M-15 in food-producing animal isolated in Brazil. Manuscript III: The first draft genome sequence of a Klebsiella pneumoniae strain Kp171, recovered from a water sample collected in an urban river in Brazil, demonstrating that anthropogenic activities, including the release of wastewater and sewage from hospitals, may have contributed to the contamination of aquatic environments, raising a concern to public health. Manuscript IV: Identification and complete sequence analysis of an IncX3 plasmid carrying a non-Tn4401 genetic element (NTEKPC-Ic), originating from a hospital associated lineage of K. pneumoniae ST340, showing the spread of blaKPC-2 in new Incompatibility group. Manuscript V: Dissemination of blaKPC-2 in novel non-Tn4401 Element (NTEKPC-IId) carry by new small IncQ1 and Col-Like plasmids in lineages of Klebsiella pneumoniae ST11 and ST340. Manuscript VI: Yersiniabactin, colibactin and wider resistome contribute to enhanced virulence and persistence of KPC-2-producing K. pneumoniae CG258 in South America. The results obtained in the present study allow us to obtain a first genomic landscape of K. pneumoniae lineages of the CG258, circulating at the human-animal-environment interface, in Brazil and South America. In this regard, most likely the interplay of yersiniabactin and/or colibactin, and resistance to clinically significant antibiotics (as carbapenems and polymyxins) are contributing to the emergence of highly virulent and MDR lineages that pose great risk to human health. On the other hand, the wide antimicrobial resistome (antibiotics, disinfectants and heavy metals) could be contributing to adaptation of KPC-2- and/or CTX-M-producing K. pneumoniae CG258 in the human-animal-environment interface, highlighting the urgent need for enhanced control efforts. In conclusion, these findings could contribute to the development of strategies for prevention, diagnosis and treatment of K. pneumoniae infections. / A rápida disseminação de linhagens de Klebsiella pneumoniae resistentes aos carbapenêmicos, agrupadas dentro do grupo clonal GC258, e um crescente problema de saúde pública associado com infecções relacionadas a assistência a saúde. O objetivo deste estudo foi realizar uma análise genômica de cepas de K. pneumoniae produtoras de β-lactamases KPC-2 e/ou CTX-M, pertencentes ao GC258 (ST11, ST258, ST340, ST437), circulando na interface humana-ambiente-animal, no Brasil e na América do Sul. A análise foi direcionada para caracterizar o resistoma e viruloma, elementos genéticos de transferência e mobilização associados com a disseminação de genes blaKPC-2, e realizar uma análise de genômica comparativa detalhada do GC258, com posterior avaliação da patogenicidade em modelo invertebrado (Galleria mellonella) de infecção, visando identificar biomarcadores de virulência. Os principais resultados são apresentados na forma de seis manuscritos. Manuscrito I: Nova sequência \"draft\" do genoma de K. pneumoniae 1194/11isolado de amostra clínica, pertencente ao ST340, mostrando um amplo resistoma. Manuscrito II: O reporte da primeira sequência \"draft\" do genoma de K. pneumoniae 606B (ST340), contendo blaCTX-M-15 em animais de produção isolados no Brasil. Manuscrito III: O primeiro esboço da sequência do genoma de K. pneumoniae Kp171, recuperado de uma amostra de água coletada em um rio urbano no Brasil, demonstrando que atividades antrópicas, incluindo a liberação de esgoto e esgoto de hospitais, podem ter contribuído para a contaminação ambientes aquáticos, levantando uma preocupação para a saúde pública. Manuscripto IV: Identificação e análise de sequencia completa de um plasmídeo IncX3 portador de um elemento genético não Tn4401 (NTEKPC-Ic), originado de uma linhagem hospitalar associada a K. pneumoniae ST340, mostrando a disseminação de blaKPC-2 no novo grupo Incompatibilidade. Manuscrito V: Disseminação de blaKPC-2 no novo elemento non-Tn4401 (NTEKPC-IId) portado por novos pequenos plasmídeos IncQ1 e Col-Like em linhagens de K. pneumoniae ST11 e ST340. Manuscrito VI: Os resultados obtidos no presente estudo permitem gerar um panorama genômico das linhagens de K. pneumoniae do GC258, circulando na interface humana-animal-ambiente, no Brasil e na América do Sul. De principal interesse, a convergência da virulência associada com genes codificando yersiniabactina e/ou a colibactina e a resistência a antibióticos clinicamente significativos (como carbapenemicos e polimixinas), estão contribuindo para o aparecimento de linhagens altamente virulentas e multirresistentes que apresentam um grande risco a saúde humana. Por outro lado, a ampla resistência aos antimicrobiana (antibióticos, desinfetantes e metais pesados) poderia estar contribuindo para a adaptação de estirpes de K. pneumoniae do GC258, produtoras de KPC-2- e/ou CTX-M, na interface humana-ambiente-animal, destacando a necessidade urgente de medidas para o controle de disseminação. Em conclusão, esses achados poderiam contribuir para o desenvolvimento de estratégias de prevenção, diagnóstico e tratamento das infecções por K. pneumoniae.

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Dessa forma, do ponto de vista da segurança alimentar e frente ao crescente fenômeno da resistência bacteriana às drogas, torna-se importante a investigação sobre a estrutura da comunidade bacteriana em QMF, bem como a avaliação da ocorrência de marcadores genéticos microbianos relacionados à resistência a drogas e seu potencial de mobilização. Neste estudo foram obtidas 5 amostras de um mesmo lote de 7 marcas de QMF identificadas de A a G, totalizando 35 amostras. Após a extração de DNA total microbiano das amostras, foram utilizadas abordagens de DNA fingerprint, pela amplificação de sequências palindrômicas extragênicas repetitivas (rep-PCR) para avaliação comparativa da similaridade da estrutura global da comunidade bacteriana. Posteriormente, PCR-DGGE foi utilizada para avaliar o perfil e a riqueza das amostras com relação a grupos de bactérias láticas. Matrizes de similaridade foram obtidas utilizando o método de agrupamento UPGMA. Os resultados obtidos pela técnica de rep-PCR revelaram que as amostras de queijos foram claramente agrupadas de acordo com as suas respectivas marcas. Além disso, perfis semelhantes entre amostras de marcas diferentes foram observados, indicando a presença de um núcleo microbiano comum. As amostras avaliadas também foram agrupadas de acordo com suas respectivas marcas de fabricação de acordo com os padrões de DGGE obtidos para bactérias láticas. A elevada similaridade entre a maioria das amostras do mesmo lote obtida nas técnicas de fingerprint sugere a reprodutibilidade e aplicabilidade das técnicas, e controle no processamento dos queijos ao longo da cadeia produtiva. Para a avaliação do resistoma clínico, a presença de 40 marcadores de resistência a diferentes classes de antibióticos foi avaliada por reação de PCR. Um núcleo comum de marcadores genéticos em todas as marcas foi detectado, associado à resistência aos beta-lactâmicos, tetraciclinas, quinolonas e sulfonamidas. Outros marcadores, incluindo aqueles relacionados a bombas de efluxo e resistência aos aminoglicosídeos, também foram observados. Integrons de classes 1 e 2 foram detectados, respectivamente, em 77% e 97% das amostras. As diferentes amostras de QMF puderam ser agrupadas de acordo com seu perfil de marcadores genéticos de resistência aos antimicrobianos, o que sugere epidemiologia peculiar que pode estar relacionada a qualidade e aos níveis de contaminação dos queijos ao longo da cadeia produtiva. Em conjunto, os dados sugerem que embora a cadeia produtiva do QMF seja controlada na indústria, riscos sanitários são inerentes pela contaminação dos queijos por bactérias putativas resistentes a antimicrobianos. Como um todo, os dados apontam para a necessidade de discussão dos parâmetros de qualidade microbiológica na produção, armazenamento e distribuição de QMF. Além disso, a detecção de integrons de classe 1 e 2 levanta questões a respeito do potencial de transferência horizontal de genes de resistência para a microbiota humana através do consumo destes alimentos. / Minas Frescal cheese (QMF) represents one of the most consumed cheeses in the country. Several factors of its processing influence its microbiological characteristics, and, consequently, its quality and properties. Its high moisture content and the risks of contamination during the production chain favor the occurrence of contaminating microorganisms, often presenting antimicrobial resistance. Thus, from the point of view of food safety and the growing phenomenon of bacterial resistance to drugs, it is important to investigate the structure of the bacterial community in Minas Frescal cheese, as well as the evaluation of the occurrence of microbial genetic markers related to drug resistance and its potential for mobilization. In this study 5 samples from the same batch of 7 brands of Minas Frescal cheeses were identified from A to G, totaling 35 samples. After the extraction of total DNA from the samples, DNA fingerprint approaches were used, by the amplification of repetitive extragenic palindromic sequences (rep-PCR) to evaluate the similarity of the global structure of the bacterial community. Afterwards, PCR-DGGE was used to evaluate the profile and richness of the samples in relation to groups of lactic bacteria. Similarity matrices were obtained using the UPGMA clustering method. The results obtained by the rep-PCR technique revealed that the cheese samples were clearly brand-clustered. In addition, similar profiles among samples of different brands were observed, indicating the presence of a common microbial nucleus. The evaluated samples were also separated according to their respective manufacturing brands by the DGGE for lactic acid bacteria. The high similarity among the majority of the samples from the same batch obtained in the fingeprint techniques suggests the reproducibility and applicability of the techniques, and control in the cheese processing along the production chain. For the evaluation of clinical resistance, the presence of resistance markers to different classes of antibiotics was evaluated by PCR reaction. A common core of genetic markers was detected, associated with resistance to beta-lactams, tetracyclines, quinolones and sulfonamides. Other markers, including those related to efflux pumps and aminoglycoside resistance, have also been observed, but not in all brands. Integrons of classes 1 and 2 were detected, respectively, in 77% and 97% of the samples. The different QMF samples could be grouped according to their profile of genetic markers of antimicrobial resistance, which suggests peculiar epidemiology that may be related to the quality and levels of contamination of the cheeses along the production chain. Taken together, the data suggest that although the productive chain of QMF is controlled in the industry, health risks are inherent in the contamination of cheeses by putative antimicrobial resistant bacteria. As a whole, the data point to the need to discuss the parameters of microbiological quality in the production, storage and distribution of QMF. In addition, the detection of class 1 and 2 integrons raises questions about the potential for horizontal transfer of resistance genes to the human microbiota through the consumption of these foods.