ABSTRACT The rhizosphere, which serves as the primary interface between plant roots and the soil, constitutes an ecological niche for a huge diversity of microbial communities. Currently, there is little knowledge on the nature and the function of the different metabolites released by rhizospheric microbes to facilitate colonization of this highly competitive environment. Here, we demonstrate how the production of galbonolides, a group of polyene macrolides that inhibit plant and fungal Inositol Phosphorylceramide Synthase (IPCS), empowers the rhizospheric Streptomyces strain AgN23, to thrive in the rhizosphere by triggering the plant’s defence mechanisms. Metabolomic analysis of AgN23-inoculated Arabidopsis roots revealed a strong induction in the production of an indole alkaloid, camalexin, which is a major phytoalexin in Arabidopsis . By using a plant mutant compromised in camalexin synthesis, we show that camalexin production is necessary for the successful colonization of the rhizosphere by AgN23. Conversely, hindering galbonolides biosynthesis in AgN23 knock-out mutant resulted in loss of inhibition of IPCS, a deficiency in plant defence activation, notably the production of camalexin, and a strongly reduced development of the mutant bacteria in the rhizosphere. Together, our results identified galbonolides as important metabolites mediating rhizosphere colonisation by Streptomyces . Abstract Figure Graphical Abstract Model summarizing the mode of action of galbonolides in stimulating plant defence to support AgN23 colonization of the rhizosphere. Galbonolides secretion by Streptomyces sp. AgN23 trigger Inositol Phosphoceramide Synthase (IPCS) inhibition in Arabidopsis root cells (orange arrow). The resulting raise in Ceramide precursors of the IPCS may result in the different defence responses associated to AgN23: Hypersensitive Responses (HR), Salicylic Acid (SA) signalling, nuclear Ca 2+ influx, defence gene expression and camalexin biosynthesis. This production of camalexin (blue arrow) exert a positive effect on AgN23 growth in the rhizosphere, presumably by restricting the growth of bacterial and fungal competitors sensitive to this phytoalexin. In addition, galbonolides secretion in the rhizosphere may also directly interfere with fungal competitors of AgN23.

Abstract How immune responses are activated and regulated is a central question in immunology. In addition to molecular signaling, recent work has shown that physical forces regulate the immune response of vertebrates by modifying transmembrane protein conformation and cell contact. Mechanical stress and strain produced by forces constitute physical cues perceived by cells instructing gene expression. Whether mechanical cues generated by pathogens during host colonization can trigger adaptive responses in plant cells remains elusive. We found that local and progressive variations of plant cell wall tension caused by fungal pathogen attacks are transmitted to neighboring healthy tissue around the infection site and trigger immunity in distal cells. This ‘thigmoimmunity’ process requires the reorganization of cortical microtubules and contributes strongly to Arabidopsis disease resistance. One-Sentence Summary Activation of plants immunity depends on fluctuations of mechanical tension caused by a fungal pathogen.

Summary Highlight The common symbiotic pathway is activated during arbuscular mycorrhizal symbiosis in Marchantia paleacea The three core members of the common symbiotic pathway are essential for symbiosis in Marchantia paleacea The molecular function of the CCaMK/CYCLOPS module is conserved across land plants Symbiotic signalling has been conserved in plants for 450 million years The colonization of land by plants 450 million years ago revolutionized life on Earth 1 . The fossil record 2 and genetic evidence in extant species 3 suggest that this transition was facilitated by interactions with symbiotic arbuscular mycorrhizal (AM) fungi 4 . This ancestral symbiosis relied on the biosynthesis of chemicals by the host plant, both as signals 5 and as nutrients 3 . In angiosperms, a signalling pathway involving the receptor-like kinase SYMRK/DMI2 6,7 , the Calcium and Calmodulin-dependent protein kinase CCaMK/DMI3 8 and the transcription factor CYCLOPS/IPD3 9,10 has been described as the common symbiosis pathway (CSP), essential for the establishment of the AM symbiosis and the root-nodule symbiosis 11 . Phylogenetic and comparative phylogenomic analyses indicated an ancient origin of the CSP, present in all extant land plants forming intracellular symbioses 12–15 . Trans-complementation assays of the angiosperm mutants with orthologs from diverse species further indicated the conservation of the molecular function of the CSP across the embryophytes 9,12,14–16 . However, this correlative evidence did not allow testing the ancestral biological function of the CSP. In this study we demonstrate that SYMRK, CCaMK and CYCLOPS are essential for the colonization by AM fungi in bryophytes, indicating that plants have maintained a dedicated signalling pathway to support symbiotic interactions for 450 million years.

Legumes establish endosymbioses with arbuscular mycorrhizal (AM) fungi or rhizobia bacteria to improve mineral nutrition. Symbionts are hosted in privileged habitats, root cortex (for AM fungi) or nodules (for rhizobia) for efficient nutrient exchange. To reach these habitats, plants form cytoplasmic bridges, which are key to predicting and guiding the cellular route of entry of fungal hyphae or rhizobia-filled infection threads (ITs). However, the underlying mechanisms are poorly studied. Here we show that unique ultrastructural changes and Ca2+ spiking signatures, closely linked to MtAnn1 annexin accumulation, accompany rhizobia-associated bridge formation. Loss of MtAnn1 function in M. truncatula affects Ca2+ spike amplitude, cytoplasmic configuration and rhizobia infection efficiency, consistent with a role of MtAnn1 in regulating infection priming. MtAnn1, which evolved in species establishing intracellular symbioses, is also AM-symbiosis-induced and required for proper arbuscule formation. Together, we propose that MtAnn1 is part of an ancient Ca2+-regulatory module for transcellular endosymbiotic infection.

Abstract The rhizosphere, which serves as the primary interface between plant roots and the soil, constitutes an ecological niche for a huge diversity of microbial communities. Currently, there is little knowledge on the nature and the function of the different metabolites released by rhizospheric microbes to facilitate colonization of this highly competitive environment. Here, we demonstrate how the production of galbonolides, a group of polyene macrolides that inhibit plant and fungal inositol phosphorylceramide synthase (IPCS), empowers the rhizospheric Streptomyces strain AgN23, to thrive in the rhizosphere by triggering the plant’s defence mechanisms. Metabolomic analysis of AgN23-inoculated Arabidopsis roots revealed a strong induction in the production of an indole alkaloid, camalexin, which is a major phytoalexin in Arabidopsis. By using a plant mutant compromized in camalexin synthesis, we show that camalexin production is necessary for the successful colonization of the rhizosphere by AgN23. Conversely, hindering galbonolides biosynthesis in AgN23 knock-out mutant resulted in loss of inhibition of IPCS, a deficiency in plant defence activation, notably the production of camalexin, and a strongly reduced development of the mutant bacteria in the rhizosphere. Together, our results identified galbonolides as important metabolites mediating rhizosphere colonization by Streptomyces.

Abstract Legumes establish endosymbioses with arbuscular mycorrhizal (AM) fungi or rhizobia bacteria to improve mineral nutrition. Symbionts are hosted in privileged habitats, root cortex (for AM fungi) or nodules (for rhizobia) for efficient nutrient exchange. To reach these habitats, plants form cytoplasmic cell bridges, key to predicting and guiding fungal hyphae or rhizobia-filled infection thread (IT) root entry. However, the underlying mechanisms are poorly studied. Here we show that unique ultrastructural changes and calcium (Ca 2+ ) spiking signatures, closely associated with Medicago truncatula Annexin 1 (MtAnn1) accumulation, accompany rhizobia-related bridge formation. Loss of MtAnn1 function in M. truncatula affects Ca 2+ spike amplitude, cytoplasmic configuration and rhizobia infection efficiency, consistent with a role of MtAnn1 in regulating infection priming. MtAnn1 , which evolved in species establishing intracellular symbioses, is also AM-symbiosis-induced and required for proper arbuscule formation. Together, we propose that MtAnn1 is part of an ancient Ca 2+ -regulatory module for transcellular endosymbiotic infection.

Summary Medicago truncatula Nod Factor Perception (MtNFP) is a lysin-domain Receptor-Like Kinase (LysM-RLK) that plays a key role in the Rhizobium-legume symbiosis, and is involved in plant immunity. MtNFP also has an inactive kinase domain, suggesting that the protein is involved in different receptor complexes. Using the MtNFP pseudo-kinase domain as a bait in a Yeast two Hybrid screen, we identified M. truncatula SUPPRESSOR OF BIR1 (MtSOBIR1) as a new interactor of MtNFP. We showed that an interaction between the two RLKs can occur in planta and that the kinase domain of MtSOBIR1 is active and can transphosphorylate the pseudo-kinase domain of MtNFP. Like in other plants, our data suggest a positive role of MtSOBIR1 in immunity; MtSOBIR1 could functionally complement an Atsobir1 mutant for defence activation, and a Mtsobir1 mutant was defective in pathogen-induced defence gene expression. We also showed that MtSOBIR1 has a symbiotic role with Mtsobir1 mutants showing a strong symbiotic phenotype in a plant genotype- and rhizobial strain-specific manner. The symbiotic role was apparent both at an early stage of rhizobial infection and in nodules. Together, these data suggest that, like MtNFP, MtSOBIR1 has a dual role, and can control immunity in both pathogenic and beneficial situations, with positive or negative roles, respectively.

Plant cell walls are made of complex polysaccharidic/proteinaceous network whose biosynthesis and dynamics implicate several cell compartments and impact plant development. The synthesis and remodeling of homogalacturonan pectins is associated with multiple developmental processes ranging from growth to response to biotic/abiotic stress. It encompasses Golgi-localized methylation and acetylation and subsequent demethylation and deacetylation in the cell wall. In the last decade, our comprehension of plant polysaccharides acetylation has increased significantly thanks to the study of the TRICHOME BIREFRINGENCE-LIKE (TBL) protein family. TBLs are mostly described as Golgi-localized acetyltransferases specifically targeting diverse hemicelluloses or pectins. Various tbl mutants showed altered wall mechanical properties and dynamics. Here, we study TBL38 that is co-expressed with PECTIN METHYLESTERASE INHIBITOR6 (PMEI6) and PEROXIDASE 36 (PRX36) during the development of Arabidopsis seed mucilage secretory cells (MSCs). We demonstrate the atypical TBL38 cell wall localization restricted to the PMEI6/PRX36 MSC cell wall microdomain. A tbl38 mutant displays an intriguing homogalacturonan immunological phenotype in this cell wall microdomain and in a MSC surface-enriched abrasion powder. This fraction was further characterized by mass spectrometry oligosaccharide profiling revealing an increased homogalacturonan acetylation phenotype. Finally, a recombinant TBL38 is shown to display pectin acetylesterase activity in vitro. These results indicate that TBL38 is an atypical cell wall-localized TBL that displays a homogalacturonan acetylesterase activity rather than a Golgi-localized acetyltransferase activity as observed in previously studied TBLs. TBL38 function during seed development is discussed.

Abstract Hereditary, or vertically-transmitted, symbioses affect a large number of animal species and some plants. The precise mechanisms underlying transmission of functions of these associations are often difficult to describe, due to the difficulty in separating the symbiotic partners. This is especially the case for plant-bacteria hereditary symbioses, which lack experimentally tractable model systems. Here, we demonstrate the potential of the leaf symbiosis between the wild yam Dioscorea sansibarensis and the bacterium Orrella dioscoreae ( O. dioscoreae ) as a model system for hereditary symbiosis. O. dioscoreae is easy to grow and genetically manipulate, which is unusual for hereditary symbionts. These properties allowed us to design an effective antimicrobial treatment to rid plants of bacteria and generate whole aposymbiotic plants, which can later be re-inoculated with bacterial cultures. Aposymbiotic plants did not differ morphologically from symbiotic plants and the leaf forerunner tip containing the symbiotic glands formed normally even in the absence of bacteria, but microscopic differences between symbiotic and aposymbiotic glands highlight the influence of bacteria on the development of trichomes and secretion of mucilage. This is to our knowledge the first leaf symbiosis where both host and symbiont can be grown separately and where the symbiont can be genetically altered and reintroduced to the host.