Abstract Many plant-associated bacteria produce plant- mimicking hormones which are involved in modulating host physiology. However, their function in modulating bacterial physiology has not been reported. Here we show that the XopQ protein, a type-III effector of the rice pathogen, Xanthomonas oryzae pv. oryzae ( Xoo ), is involved in cytokinin biosynthesis. Xoo produces and secretes an active form of cytokinin which enables the bacterium to maintain a planktonic lifestyle and promotes virulence. RNA-seq analysis indicates that the cytokinin produced by Xoo is required for the regulation of several genes which are involved in biofilm formation. We have also identified the Xoo isopentenyl transferase gene, which is involved in the cytokinin biosynthesis pathway and is required for maintaining planktonic behaviour and virulence. Furthermore, mutations in the predicted cytokinin receptor kinase (PcrK) and the downstream response regulator (PcrR) of Xoo phenocopy the cytokinin biosynthetic mutants, but are not complemented by supplementation with exogenous cytokinin. Cytokinin biosynthetic functions are encoded in a number of diverse bacterial genomes suggesting that cytokinin may be a widespread signalling molecule in the bacterial kingdom.

Abstract Biotechnology requires efficient microbial cell factories. The budding yeast Saccharomyces cerevisiae is an important cell factory but for a sustainable use of natural resources more diverse cellular attributes are essential. Here, we benchmarked non-conventional yeasts Kluyveromyces marxianus (KM) and Rhodotorula toruloides (RT) against the extensively characterized strains of S. cerevisiae , CEN.PK and W303. We developed a computational method for the characterization of cell/vacuole volumes and observed an inverse relationship between the maximal growth rate and the median cell volume that was responsive to monovalent cations. We found that the supplementation of certain K + concentrations to CEN.PK cultures containing 1.0 M Na + increased the specific growth rate by four-fold with a parabolic shift in the median cell/vacuole volumes. The impairment of ethanol and acetate utilization in CEN.PK, acetate in W303, at the higher K + /Na + concentrations implied an interference in the metabolic pathways required for their consumption. In RT cultures, the supplementation of K + /Na + induced a trade-off in glucose utilization but alleviated cellular aggregates formation where specified cationic concentrations increased the beta-carotene yield by 60% compared with the reference. Our comparative analysis of cell/vacuole volumes using exponential phase cultures showed that the median volumes decreased the most for KM and the least for RT in response to studied cations. Noteworthy for the implication in aging research using yeasts, the vacuole to cell volume ratio increased with the increase in cell volume for W303 and KM, but not for CEN.PK and RT. Importance For designing efficient bioprocesses characterization of microbial cell factories in the relevant culture environment is important. The control of cell volume in response to salt stress is crucial for the productivity of microbial cell factories. We developed an open source computational method for the analysis of optical microscopy images that allowed us to quantify changes in cell/vacuole volumes in response to common salts in yeasts. Our study provides a framework for appreciating the role of cellular/organellar volumes in response to changing physiological environment. Our analysis showed that K + /Na + interactions could be used for improving the cellular fitness of CEN.PK and increasing the productivity of beta-carotene in R. toruloides , which is a commercially important antioxidant and a valuable additive in foods.

Bacteria use various kinds of toxins to either inhibit the growth of co-habiting bacteria or when needed control their own growth. Here we report that Burkholderia and certain other bacteria have altered the potential defensive function of Tox-REase-5 domain containing toxins into offensive function. The Burkholderia gladioli strain NGJ1 encodes such toxins as type VI secretion system (T6SS) effectors (Tse) and potentially deploys them to kill co-habiting rice endophytic bacteria. Notably, the immunity (Tsi) proteins associated with Tse effectors demonstrate functional similarity with the antitoxin of type II toxin-antitoxin (TA) system. Genome analysis of diverse bacteria revealed that various Tse orthologs are either encoded as TA or T6SS effectors. In addition, potential evolutionary events associated with conversion of TA into T6SS effectors have been delineated. Our results indicate that the transposition of IS3 elements has led to the operonic fusion of certain T6SS related genes with TA genes resulting in their conversion into T6SS effectors. Such a genetic change has enabled bacteria to utilize novel toxins to precisely target co-habiting bacteria.

Plant diseases pose a serious threat to sustainable agriculture as controlling them in eco-friendly manner remains a challenge. In this study, we establish RAV1 as a master transcriptional regulator of defense genes in model plant Arabidopsis. The overexpression of AtRAV1 provided disease resistance against necrotrophic fungal pathogen (Rhizoctonia solani) infection in A. thaliana. The transgenic lines exhibited enhanced expression of several defense genes including mitogen associated protein kinases (MAPKs) and the amplitude of their expression was further enhanced upon pathogen infection. Conversely, the atrav1 mutant plants were unable to induce the expression of these defense genes and were highly susceptible to infection. Our data suggests that upon pathogen attack, AtRAV1 transcriptionally upregulate the expression of MAPKs (AtMPK3, AtMPK4 and AtMPK6) and AtMPK3 and AtMPK6 are essential for AtRAV1 mediated disease resistance. Further, we demonstrate that AtRAV1 is a phosphorylation target of AtMPK3 (but not AtMPK6) and the phospho-defective variants of AtRAV1 are unable to induce disease resistance in A. thaliana. Considering the presence of AtRAV1 orthologs in diverse plant species, we propose that they can be gainfully deployed to control economically important diseases. In deed we observe that overexpression of tomato ortholog of AtRAV1 (SlRAV1) provides broad spectrum disease resistance against bacterial (Ralstonia solanacearum), fungal (R. solani) and viral (Tomato leaf curl virus) infections in tomato.

Abstract Sodium present in NaCl is a fundamental nutrient required for many physiological processes. In animals including Drosophila low-salt concentrations induce attraction and high-salt concentrations evoke aversive behavior. Although high salt detection pathways have been studied in great details but mechanisms that regulate high salt consumption in animals are largely undetermined. We looked into the neural mechanisms of high NaCl consumption in adult Drosophila by which flies modify their acceptance of high salt as a function of diet where a long-term high-salt exposure increases taste sensitivity of pharyngeal LSO neurons and enhance high salt intake. Exposing flies to high NaCl diet for three days show decline in high salt aversion under starvation. Additionally, genetic suppression of LSO pharyngeal neurons in high NaCl fed flies inhibit excessive salt intake. We observed this modulation requires functional LSO neurons and a starvation state or dopamine. Multiple independent taste receptor neurons and pathways are involved in such a modulation. Silencing any one of multiple LSO neuronal types inhibits excessive salt intake. Our study suggests flies can adapt to the amount of salt ingested over several days, indicating the presence of a critical mechanism to reset the salt appetite and related neural circuits.

Additive manufacturing allows three-dimensional printing of polymeric materials together with cells, creating living materials for applications in biomedical research and biotechnology. However, understanding the cellular phenotype within living materials is lacking and a key limitation for their wider application. Herein, we present an approach to characterize the cellular phenotype within living materials. We immobilized the budding yeast Saccharomyces cerevisiae in three different photo-cross-linkable triblock polymeric hydrogels containing F127-bis-urethane methacrylate, F127-dimethacrylate, or poly(alkyl glycidyl ether)-dimethacrylate. Using optical and scanning electron microscopy, we showed that hydrogels based on these polymers were stable under physiological conditions, but yeast colonies showed differences in the interaction within the living materials. We found that the physical confinement, imparted by compositional and structural properties of the hydrogels, impacted the cellular phenotype by reducing the size of cells in living materials compared with suspension cells. These properties also contributed to the differences in immobilization patterns, growth of colonies, and colony coatings. We observed that a composition-dependent degradation of polymers was likely possible by cells residing in the living materials. In conclusion, our investigation highlights the need for a holistic understanding of the cellular response within hydrogels to facilitate the synthesis of application-specific polymers and the design of advanced living materials in the future.

Central carbon metabolism produces energy and precursor metabolites for biomass in heterotrophs. Carbon overflow yields metabolic byproducts and, here, we examined its dependency on nutrient and growth using the unicellular eukaryotic model organism Saccharomyces cerevisiae. We performed quantitative proteomics analysis together with metabolic modeling and found that proteome overabundance enabled respiration, and variation in energy efficiency caused distinct composition of biomass at different carbon to nitrogen ratio and growth rate. Our results showed that ceullar resource allocation for ribosomes was determinative of growth rate, but energy constrains on protein synthesis incepted carbon overflow by prioritizing abundance of ribosomes and glycolysis over mitochondria. We proved that glycolytic efficiency affected energy metabolism by making a trade-off between low and high energy production pathways. Finally, we summarized cellular energy budget underlying nutrient-responsive and growth rate-dependent carbon overflow, and suggested implications of results for bioprocesses and pathways relevant in cancer metabolism in humans.

Abstract The three-dimensional printing of cells offers an attractive opportunity to design and develop innovative biotechnological applications, such as the fabrication of biosensors or modular bioreactors. Living materials (LMs) are cross-linked polymeric hydrogel matrices containing cells, and recently, one of the most deployed LMs consists of F127-bis-urethane methacrylate (F127-BUM). The material properties of F127-BUM allow reproducible 3D printing and stability of LMs in physiological environments. These materials are permissible for small molecules like glucose and ethanol. However, no information is available for oxygen, which is essential— for example, towards the development of aerobic bioprocesses using microbial cell factories. To address this challenge, we investigated the role of oxygen as a terminal electron acceptor in the budding yeast’s respiratory chain and determined its permissibility in LMs. We quantified the ability of cell-retaining LMs to utilize oxygen and compared it with cells in suspension culture. We found that the cells’ ability to consume oxygen was heavily impaired inside LMs, indicating that the metabolism mostly relied on fermentation instead of respiration. To demonstrate an application of these 3D printed LMs, we evaluated a comparative brewing process. The analysis showed a significantly higher (3.7%) ethanol production using 3D printed LMs than traditional brewing, indicating an efficient control of the metabolism. Towards molecular and systems biology studies using LMs, we developed a highly reliable method to isolate cells from LMs for flow cytometry and further purified macromolecules (proteins, RNA, and DNA). Our results show the application of F127-BUM-based LMs for microaerobic processes and envision the development of diverse bioprocesses using versatile LMs in the future.

Abstract In this study, the molecular basis of leaf rust resistance was investigated by examining the differential gene expression of wheat cultivar Thatcher, both with and without a leaf rust resistance gene, in response to rust infection. unigenes/ESTs databases were utilized belonging to three near-isogenic lines (NILs) of Thatcher, including Thatcher, Thatcher + Lr10, and Thatcher + Lr1, to identify differentially expressed unigenes (DEUs) in response to leaf rust. Sixty-eight DEUs were identified using a data mining tool called Digital Differential Display (DDD). Among these DEUs were specific unigenes associated with Lr1 and/or Lr10-mediated resistance, as well as unigenes expressed exclusively in compatible interactions. Our results suggest that photosynthesis, lignin, and antifungal proteins play a role in the leaf rust resistance mechanism, as indicated by the overexpression of Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, caffeic acid O-methyltransferase, and Glutathione S-transferase unigenes, respectively. Our findings demonstrate both common and distinctive genetic pathways involved in rust resistance in the Lr1 and Lr10 NILs. The expression of most DEUs was found to be high in leaves, moderate in sheath, stem, and inflorescence, and low in seed, root, flower, crown, callus, and cell culture, indicating their role in leaf rust. Using high-throughput microarray gene expression data, a subset of DEUs was validated, and as a result, eleven unigenes were mapped to deletion bins on individual wheat chromosomes. These key genes may be used as molecular markers for genome editing, which could facilitate the development of leaf rust-resistant wheat cultivars.