In the current scenario, it is an urgent requirement to satisfy the nutritional demands of the rapidly growing global population. Using conventional farming, nearly one third of crops get damaged, mainly due to pest infestation, microbial attacks, natural disasters, poor soil quality, and lesser nutrient availability. More innovative technologies are immediately required to overcome these issues. In this regard, nanotechnology has contributed to the agrotechnological revolution that has imminent potential to reform the resilient agricultural system while promising food security. Therefore, nanoparticles are becoming a new-age material to transform modern agricultural practices. The variety of nanoparticle-based formulations, including nano-sized pesticides, herbicides, fungicides, fertilizers, and sensors, have been widely investigated for plant health management and soil improvement. In-depth understanding of plant and nanomaterial interactions opens new avenues toward improving crop practices through increased properties such as disease resistance, crop yield, and nutrient utilization. In this review, we highlight the critical points to address current nanotechnology-based agricultural research that could benefit productivity and food security in future.

Abstract The midbrain reticular formation is a mosaic of diverse GABAergic and glutamatergic neurons that have been associated with a variety of functions, including the regulation of sleep. However the molecular characteristics and development of the midbrain reticular formation neurons are poorly understood. As the transcription factor Gata2 is required for the development of all GABAergic neurons derived from the embryonic mouse midbrain, we hypothesized that the genes expressed downstream of Gata2 could contribute to the diversification of GABAergic neuron subtypes in this brain region. Here, we show that Gata2 is indeed required for the expression of several lineage-specific transcription factors in post-mitotic midbrain GABAergic neuron precursors. These include a homeodomain transcription factor Nkx2-2 and a SKI family transcriptional repressor Skor2, which are co-expressed in a restricted group of GABAergic precursors in the midbrain reticular formation. Both Gata2, and Nkx2-2 function is required for the expression of Skor2 in GABAergic precursors. In the adult mouse as well as rat midbrain, the Nkx2-2 and Skor2 expressing GABAergic neurons locate at the boundary of the ventrolateral periaqueductal gray and the midbrain reticular formation, an area shown to contain REM-off neurons regulating REM sleep. In addition to the characteristic localization, the Skor2 positive cells increase their activity upon REM sleep inhibition, send projections to a pontine region associated with sleep control and are responsive to orexins, consistent with the known properties of the midbrain REM-off neurons.

Abstract Attempts to understand gene regulation by global transcription factors (TF) have largely been limited to expression studies under binary conditions of presence and absence of the TF. Studies addressing genome-wide transcriptional responses to changing TF concentration at high resolution are lacking. Here, we create a dataset containing the entire E.coli transcriptome as it responds to 10 different cAMP concentrations spanning the biological range. We use the Hill’s model to accurately summarise individual gene responses into 3 intuitively understandable parameters - k, n and Emax reflecting the midpoint of dynamic range, non-linearity and sensitivity of a gene. cAMP-regulated genes show a small dynamic range with midpoints centred around wild-type cAMP concentrations, with genes activating in a switch-like fashion. Using this approach we show that cAMP-CRP affinity at promoters is well correlated to the sensitivity( Emax ) of genes but not to the midpoints of dynamic range( k ). Finally, genes belonging to different functional classes are tuned to different k, n and Emax . We show phenomenological models to be a better alternative for studying gene expression trends compared to classical clustering methods with the phenomenological constants providing greater insights into how genes are tuned in a regulatory network.

ABSTRACT The most virulent human malaria parasite, Plasmodium falciparum , has a complex life cycle between its human host and mosquito vector. Each stage is driven by a specific transcriptional program, but with a relatively high ratio of genes to specific transcription factors, it is unclear how genes are activated or silenced at specific times. The P. falciparum genome is relatively euchromatic compared to the mammalian genome, except for specific genes that are uniquely heterochromatinized via HP1. There seems to be an association between gene activity and spatial organization; however, the molecular mechanisms behind genome organization are unclear. While P. falciparum lacks key genome-organizing proteins found in metazoans, it does have all core components of the cohesin complex. In other eukaryotes, cohesin is involved in sister chromatid cohesion, transcription, and genome organization. To investigate the role of cohesin in P. falciparum , we combined genome editing, mass spectrometry, chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq), and RNA sequencing to functionally characterize the cohesin subunit Structural Maintenance of Chromosomes protein 3 (SMC3). SMC3 knockdown in early stages of the intraerythrocytic developmental cycle (IDC) resulted in significant upregulation of a subset of genes involved in erythrocyte egress and invasion, which are normally expressed at later stages. ChIP-seq of SMC3 revealed that over the IDC, enrichment at the promoter regions of these genes inversely correlates with their expression and chromatin accessibility levels. These data suggest that SMC3 binding helps to repress specific genes until their appropriate time of expression, revealing a new mode of stage-specific, HP1-independent gene repression in P. falciparum .

Oxidative stress response in bacteria is generally mediated through coordination between the regulators of oxidant-remediation systems (e.g. OxyR, SoxR) and nucleoid condensation (e.g. Dps, Fis). However, these genetic factors are either absent or rendered nonfunctional in the human pathogen Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Therefore, how Mtb organizes genome architecture and regulates gene expression to counterbalance oxidative imbalance during infection is not known. Here, we report that an intracellular redox-sensor, WhiB4, dynamically links genome condensation and oxidative stress response in Mtb. Disruption of WhiB4 affects the expression of genes involved in maintaining redox homeostasis, central carbon metabolism (CCM), respiration, cell wall biogenesis, DNA repair and protein quality control under oxidative stress. Notably, disulfide-linked oligomerization of WhiB4 in response to oxidative stress activates the protein ability to condense DNA in vitro and in vivo. Further, overexpression of WhiB4 led to hypercondensation of nucleoids, redox imbalance and increased susceptibility to oxidative stress, whereas WhiB4 disruption reversed this effect. In accordance with the findings in vitro, ChIP-Seq data demonstrated non-specific binding of WhiB4 to GC-rich regions of the Mtb genome. Lastly, data indicate that WhiB4 deletion affected the expression of only a fraction of genes preferentially bound by the protein, suggesting its indirect effect on gene expression. We propose that WhiB4 is a novel redox-dependent nucleoid condensing protein that structurally couples Mtb response to oxidative stress with genome organization and transcription.

Abstract Several empirical and theoretical studies suggest presence of multiple enhancers per gene that collectively regulate gene expression, and that common sequence variation impacting on the activities of these enhancers is a major source of inter-individual variability in gene expression. However, for vast majority of genes, enhancers and the underlying regulatory variation remains unknown. Even for the genes with well-characterized enhancers, the nature of the combined effects from multiple enhancers and their variants, when known, on gene expression regulation remains unexplored. Here, we have evaluated the combined effects from five SCN5A enhancers and their regulatory variants that are known to collectively correlate with SCN5A cardiac expression and underlie QT interval association in the general population. Using small deletions centered at the regulatory variants in episomal reporter assays in a mouse cardiomyocyte cell line we demonstrate that the variants and their flanking sequences play critical role in individual enhancer activities, likely being a transcription factor (TF) binding site. By performing oligonucleotide-based pulldown assays on predicted TFs we identify the TFs likely driving allele-specific enhancer activities. Using all 32 possible allelic synthetic constructs in reporter assays, representing the five biallelic enhancers in tandem in their genomic order, we demonstrate combined additive effects on overall enhancer activities. Using transient enhancer assays in developing zebrafish embryos we demonstrate the four out the five enhancer elements act as enhancers in vivo . Together, these studies extend the previous findings to uncover the TFs driving the enhancer activities of QT interval associated SCN5A regulatory variants, reveal the additive effects from allelic combinations of these regulatory variants, and prove their potential to act as enhancers in vivo .