Species identification of bacteria of the genus Clostridium isolated from cattle by multiplex real-time PCR

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. Diseases caused by clostridia are widespread in cattle. In addition to pathogenic clostridia, non-pathogenic species are constantly living in the organism of animals, and to make a correct diagnosis it is necessary to differentiate isolated cultures of these bacteria. A promising direction for solving this problem is the search for highly specific and sensitive methods of genetic analysis. Based on the application of real-time polymerase chain reaction (PCR), which makes it possible to detect and determine the species affiliation of microorganisms in a short period of time.

Purpose.  To develop a multiplex real-time polymerase chain reaction for the detection of toxigenic Clostridium species: Clostridium sporogenes, Clostridium perfringens and Clostridium sordellii in mixed and pure bacterial cultures, to determine its sensitivity and specificity.

Materials and methods. In our studies we used samples of biological material from sick animals, from which clostridia cultures were isolated on artificial nutrient media with their subsequent identification based on the results of culture and biochemical properties. Primers and probes were designed using the PrimerQuest tool, and then the sensitivity and specificity of PCR were determined using reference strains and bacterial isolates.

Results. In the period from 2023 to 2024, 90 samples of biomaterial from cattle collected in livestock farms of the Novosibirsk Region were investigated. As a result of bacteriological studies, 44 isolates of clostridia of nine species of the genus Clostridium were obtained. For the selection of primers and probes, we analysed three pairs of primers and probes, which were used to detect the gerKA gene in C. sporogenes, C. perfringens - plc, C. sordelli - NanS. In addition, a pair of primers was used to detect species of the genus Clostridium by the 16S RNA gene. In order to determine the working concentrations of primers and probes that would provide the necessary sensitivity of the analysis, a series of studies were carried out to optimise the conditions of the analysis. Analysing the results of the studies, we determined the sensitivity of the reaction, which was not less than 102 CFU/ml for pure bacterial cultures of C. sporogenes, C. perfringens and C. sordelli species, and for other species of Clostridia spp. 101 CFU/ml.

Conclusion. The developed multiplex real-time PCR allows short-term diagnosis of bovine clostridiosis and species identification of pathogens. In addition to C. perfringens, C. sporogenes, C. sordellii, other species of Clostridium spp. may be involved in the etiology of bovine clostridiosis. It is necessary to improve diagnostic methods of clostridiosis and expand the range of detectable clostridium species.

About the authors

Alexey V. Nefedchenko

Siberian Federal Research Center for Agro-BioTechnologies Russian Academy of Science, Institute of Experimental Veterinary Science of Siberia and the Far East

Author for correspondence.
Email: nefedchenkoav@sfsca.ru
ORCID iD: 0000-0002-4181-4268
SPIN-code: 1583-5776
Scopus Author ID: 56662231300
ResearcherId: Q-2568-2016

Doctor of Veterinary Science, Associate Professor, Leading Research Assistant

 

Russian Federation, Krasnoobsk, Novosibirsk region, 630501, Russian Federation

Tatiana E. Sudorgina

Siberian Federal Research Center for Agro-BioTechnologies Russian Academy of Science, Institute of Experimental Veterinary Science of Siberia and the Far East

Email: tatjana177@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4226-5421
SPIN-code: 3697-6010
ResearcherId: LIF-9100-2024

Candidate of Veterinary Science, Senior Research Assistant

 

Russian Federation, Krasnoobsk, Novosibirsk region, 630501, Russian Federation

Tatiana I. Glotova

Siberian Federal Research Center for Agro-BioTechnologies Russian Academy of Science, Institute of Experimental Veterinary Science of Siberia and the Far East

Email: t-glotova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3538-8749
SPIN-code: 7488-5915
Scopus Author ID: 7003677877
ResearcherId: A-5596-2014

Doctor of Biological Science, Professor, Chief Research Assistant

 

Russian Federation, Krasnoobsk, Novosibirsk region, 630501, Russian Federation

Svetlana V. Koteneva

Siberian Federal Research Center for Agro-BioTechnologies Russian Academy of Science, Institute of Experimental Veterinary Science of Siberia and the Far East

Email: koteneva-sv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2649-7505
SPIN-code: 7545-7206
Scopus Author ID: 57191955208
ResearcherId: Q-7924-2016

Candidate of Veterinary Science, Leading Research Assistant

 

Russian Federation, Krasnoobsk, Novosibirsk region, 630501, Russian Federation

Alexander G. Glotov

Siberian Federal Research Center for Agro-BioTechnologies Russian Academy of Science, Institute of Experimental Veterinary Science of Siberia and the Far East

Email: glotov_vet@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2006-0196
SPIN-code: 5020-6503
Scopus Author ID: 7004340265
ResearcherId: L-7720-2017

Doctor of Veterinary Science, Professor, Chief Research Assistant, Head of Laboratory

 

Russian Federation, Krasnoobsk, Novosibirsk region, 630501, Russian Federation

References

  1. Bataeva, D. S., Makhova, A. A., Zayko, E. V., & Satabaeva, D. M. (2020). Rapid diagnosis of Clostridium in food products using real-time PCR. All About Meat, 2, 50-53. https://doi.org/10.21323/2071-2499-2020-2-50-53. EDN: https://elibrary.ru/TRLXAC
  2. Bezbordova, N. A. (2020). Modern approach to the problem of clostridiosis in animal husbandry: sampling, laboratory diagnostics, prevention. Russian Journal "Problems of Veterinary Sanitation, Hygiene and Ecology", 3(35), 392-402. https://doi.org/10.36871/vet.san.hyg.ecol.202003016. EDN: https://elibrary.ru/JHUVAH
  3. Glotova, T. I., Sudorgina, T. I., Koteneva, S. V., Glotov, A. G., Velker, D. A., & Nefedchenko, A. V. (2023). Pathogenic species of anaerobic bacteria and their role in the pathology of cattle. Advances in Medical Mycology, XXV, 14-19. EDN: https://elibrary.ru/NTPITW
  4. Danilyuk, A. V., & Kapustin, A. V. (2019). Prevalence and species diversity of Clostridium — causative agents of anaerobic infections in cattle. Proceedings of the All-Russian Research Institute of Experimental Veterinary Medicine named after Ya. R. Kovalenko, 81, 19-26. https://doi.org/10.30917/ATT-PRINT-2019-10(3)
  5. Kolesnikova, Yu. N., Pimenov, N. V., & Kapustin, A. V. (2016). Etiology of anaerobic infections in cattle and comparative characteristics of isolated Clostridium strains. Russian Journal of Agricultural and Socio-Economic Sciences, 8, 39-48. https://doi.org/10.18551/rjoas.2016-08.07. EDN: https://elibrary.ru/WIBLWP
  6. Naumova, N.B., Baturina, O.A., Lokteva, A.S., Pleshakova, V.I., Lesheva, N.A., Lorengel, T.I., Zolotova, N.S., Alekseeva, I.G., & Kabilov, M.R. (2023). Effect of dextranol on calves' intestinal bacteriome. Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, 15(6), 197-221. https://doi.org/10.12731/2658-6649-2023-15-6-956. EDN: https://elibrary.ru/UVVYIJ
  7. Nefedchenko, A. V., Glotov, A. G., Glotova, T. I., Sudorgina, T. E., & Koteneva, S. V. (2023). Use of molecular genetic methods for typing Clostridium species C. sporogenes, C. perfringens and C. sordellii. In Proceedings of the XI International Scientific and Practical Conference "Molecular Diagnostics" (pp. 354-355). Moscow. EDN: https://elibrary.ru/DTRHTW
  8. Sudorgina, T. E., Glotova, T. I., Nefedchenko, A. V., Koteneva, S. V., Velker, D. A., & Glotov, A. G. (2024). Frequency of isolation of Clostridium spp. bacteria and their associations in various forms of clostridiosis in cattle. Siberian Herald of Agricultural Science, 54(3), 55-62. https://doi.org/10.26898/0370-8799-2024-3-6. EDN: https://elibrary.ru/ZZVDGV
  9. Sudorgina, T. E., Glotova, T. I., Koteneva, S. V., Nefedchenko, A. V., & Glotov, A. G. (2023). Current views on the causative agents of clostridial anaerobic infection in cattle. In Actual problems of infectious pathology of animals and ways to solve them: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference dedicated to the Day of Belarusian Science and the 95th anniversary of the Department of Epizootology and Infectious Diseases (pp. 109-111). Vitebsk. EDN: https://elibrary.ru/ELNBCW
  10. Sudorgina, T. E., Glotova, T. I., Koteneva, S. V., Nefedchenko, A. V., Velker, D. A., & Glotov, A. G. (2023). Clostridiosis in cattle: characterization of the main causative agents, preventive measures and control. Part 1. Veterinary Medicine, 5, 3-9. https://doi.org/10.30896/0042-4846.2023.26.5.03-09. EDN: https://elibrary.ru/QLUFXE
  11. Suntsova, O. V., Rar, V. A., Lisak, O. V., Meltsov, I. V., Doroshenko, E. K., Savinova, Yu. S., Tikunov, A. Yu., & Kozlova, I. V. (2023). Epidemiological situation regarding hemoparasitic diseases of farm animals in the Irkutsk region. Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, 15(4), 210-235. https://doi.org/10.12731/2658-6649-2023-15-4-210-235. EDN: https://elibrary.ru/RFJMLR
  12. Abreu, C. C., Edwards, E. E., Edwards, J. F., Gibbons, P. M., Leal de Araújo, J., Rech, R. R., & Uzal, F. A. (2017). Blackleg in cattle: A case report of fetal infection and a literature review. Journal of veterinary diagnostic investigation, 29(5), 612-621. https://doi.org/10.1177/1040638717713796
  13. Abusnina, W., Shehata, M., Karem, E., Koc, Z., & Khalil, E. (2019). Clostridium sporogenes bacteremia in an immunocompetent patient. IDCases, 15, e00481. https://doi.org/10.1016/j.idcr.2019.e00481
  14. Awad, M. M., Singleton, J., & Lyras, D. (2016). The Sialidase NanS Enhances Non-TcsL Mediated Cytotoxicity of Clostridium sordellii. Toxins (Basel), 8(6), 189. https://doi.org/10.3390/toxins8060189
  15. Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology. Volume 3: The Firmicutes (2nd ed.). (2009). New York: Springer-Verlag. pp. 1309-1329. https://doi.org/10.1007/978-0-387-68489-5_2
  16. Chean, R., Kotsanas, D., Francis, M. J., Palombo, E. A., Jadhav, S. R., Awad, M. M., Lyras, D., Korman, T. M., & Jenkin, G. A. (2014). Comparing the identification of Clostridium spp. by two Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF) mass spectrometry platforms to 16S rRNA PCR sequencing as a reference standard: a detailed analysis of age of culture and sample preparation. Anaerobe, 30, 85-89. https://doi.org/10.1016/j.anaerobe.2014.09.007
  17. Goossens, E., Valgaeren, B. R., Pardon, B., Haesebrouck, F., Ducatelle, R., Deprez, P. R., & Van Immerseel, F. (2017). Rethinking the role of alpha toxin in Clostridium perfringens-associated enteric diseases: a review on bovine necrohaemorrhagic enteritis. Veterinary research, 48(1), 9. https://doi.org/10.1186/s13567-017-0413-x. EDN: https://elibrary.ru/KMLWKY
  18. Moore, R. J., & Lacey, J. A. (2019). Genomics of the Pathogenic Clostridia. Microbiol Spectr, 7(3). https://doi.org/10.1128/microbiolspec
  19. Rodriguez-Palacios, A., Stämpfli, H. R., Duffield, T., Peregrine, A. S., Trotz-Williams, L. A., Arroyo, L. G., Brazier, J. S., & Weese, J. S. (2006). Clostridium difficile PCR ribotypes in calves, Canada. Emerg. Infect. Dis, 12(11), 1730-1736. https://doi.org/10.3201/eid1211.051581
  20. Seise, B., Pollok, S., Seyboldt, C., & Weber, K. (2013). Dry-reagent-based PCR as a novel tool for the rapid detection of Clostridium spp. J. Med. Microbiol, 62(Pt 10), 1588-1591. https://doi.org/10.1099/jmm.0.060061-0
  21. Silva, R. O. S., Uzal, F. A., Oliveira Jr, C. A., & Lobato, F. C. F. (2016). Clostridial Diseases of Animal. In John Wiley & Sons, Ltd. (pp. 243-254). Hoboken, NJ, USA. https://doi.org/10.1002/9781118728291.ch20
  22. Morandi, S., Cremonesi, P., Silvetti, T., Castiglioni, B., & Brasca, M. (2015). Development of a triplex real-time PCR assay for the simultaneous detection of Clostridium beijerinckii, Clostridium sporogenes and Clostridium tyrobutyricum in milk. Anaerobe, 34, 44-49. https://doi.org/10.1016/j.anaerobe.2015.04.005
  23. Uzal, A., & Songer, J. G. (2019). Clostridial Diseases (pp. 792-806). https://doi.org/10.1002/9781119350927.ch51

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».