The development and morphology of vascular plants is critically determined by synthesis and proper distribution of the phytohormone auxin. The directed cell-to-cell distribution of auxin is achieved through a system of auxin influx and efflux transporters. PIN-FORMED (PIN) proteins are proposed auxin efflux transporters, and auxin fluxes can seemingly be predicted based on the--in many cells--asymmetric plasma membrane distribution of PINs. Here, we show in a heterologous Xenopus oocyte system as well as in Arabidopsis thaliana inflorescence stems that PIN-mediated auxin transport is directly activated by D6 PROTEIN KINASE (D6PK) and PINOID (PID)/WAG kinases of the Arabidopsis AGCVIII kinase family. At the same time, we reveal that D6PKs and PID have differential phosphosite preferences. Our study suggests that PIN activation by protein kinases is a crucial component of auxin transport control that must be taken into account to understand auxin distribution within the plant.

Summary Abscisic acid ( ABA ) is a major phytohormone involved in important stress‐related and developmental plant processes. Recent phosphoproteomic analyses revealed a large set of ABA ‐triggered phosphoproteins as putative mitogen‐activated protein kinase ( MAPK ) targets, although the evidence for MAPK s involved in ABA signalling is still scarce. Here, we identified and reconstituted in vivo a complete ABA ‐activated MAPK cascade, composed of the MAP 3Ks MAP 3K17/18, the MAP 2K MKK 3 and the four C group MAPK s MPK 1/2/7/14. In planta , we show that ABA activation of MPK 7 is blocked in mkk3‐1 and map3k17mapk3k18 plants. Coherently, both mutants exhibit hypersensitivity to ABA and altered expression of a set of ABA ‐dependent genes. A genetic analysis further reveals that this MAPK cascade is activated by the PYR / PYL / RCAR ‐Sn RK 2‐ PP 2C ABA core signalling module through protein synthesis of the MAP 3Ks, unveiling an atypical mechanism for MAPK activation in eukaryotes. Our work provides evidence for a role of an ABA ‐induced MAPK pathway in plant stress signalling.

Abstract Seed dormancy corresponds to a reversible blockage of germination. Primary dormancy is established during seed maturation while secondary dormancy is set up on the dispersed seed, following an exposure to unfavourable factors. Both dormancies are relieved in response to environmental factors, such as light, nitrate and coldness. QTL analyses for preharvest sprouting identified MKK3 kinase in cereals as a player in dormancy control. Here, we showed that MKK3 also plays a role in secondary dormancy in Arabidopsis within a signalling module composed of MAP3K13/14/19/20, MKK3 and clade-C MAPKs. Seeds impaired in this module acquired heat-induced secondary dormancy more rapidly than WT seeds and this dormancy is less sensitive to nitrate, a signal able to release dormancy. We also demonstrated that MPK7 was strongly activated in the seed during dormancy release, especially in response to light and nitrate. This activation was greatly reduced in map3k13/14/19/20 and mkk3 mutants. Finally, we showed that the module was not regulated, and apparently did not regulate, the genes controlling ABA/GA hormone balance, one of the crucial mechanisms of seed dormancy control. Overall, our work identified a whole new MAPK module controlling seed germination and enlarged the panel of functions of the MKK3-related modules in plants.

Abstract Arabidopsis thaliana Mitogen Activated Protein Kinases 3 and 6 (MPK3/6) are known to be activated transiently in PAMP-Triggered Immunity (PTI) and durably in Effector-Triggered Immunity (ETI). However the functional differences between these two kinds of activation kinetics and how they allow coordination of the two layers of plant immunity remain poorly understood. Here, by analysing suppressors of the phenotype caused by a constitutively active form of MPK3, we demonstrate that ETI-mediating nucleotide-binding domain leucine-rich repeat receptors (NLRs) and NLR signaling can act downstream of MPK3 activities. Moreover we provide evidence that both sustained and transient MPK3/6 activities positively control the expression of at least two NLR genes, AT3G04220 and AT4G1110. We further show that the ETI regulators NDR1 and EDS1 also contribute to the upregulations of these two NLRs not only in an ETI context but also in a PTI context. Remarkably, while in ETI, MPK3/6 activities are dependent on NDR1 and EDS1, they are not in PTI, suggesting that if the same actors are involved in the two layers of immunity, the way they are interconnected is different. Finally we demonstrate that expression of the NLR AT3G04220 is sufficient to induce expression of defense genes from the SA branch. Overall this study enlarges our knowledge of MPK3/6 functions during immunity and gives a new insight into the intrication of PTI and ETI.

Abstract Temperature is a major environmental cue for seed germination. The permissive temperature range for germination is narrow in dormant seeds and expands during after-ripening. Quantitative trait loci analyses of pre-harvest sprouting in cereals have revealed that MKK3, a mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade protein, is a negative regulator of grain dormancy. Here we show that the MAPKKK19/20-MKK3-MPK1/2/7/14 cascade modulates germination temperature range in Arabidopsis seeds by elevating germinability of the seeds at sub- and supra-optimal temperatures. The expression of MAPKKK19 and MAPKKK20 is regulated by an unidentified temperature sensing and signaling mechanism the sensitivity of which is modulated during after-ripening of the seeds, and MPK7 is activated at the permissive temperature for germination regulated by expression levels of MAPKKK19/20 . Activation of the MKK3 cascade represses abscisic acid (ABA) biosynthesis enzyme gene expression, and induces expression of ABA catabolic enzyme and gibberellic acid biosynthesis enzyme genes, resulting in expansion of the germinable temperature range. Our data demonstrate that the MKK3 cascade integrates temperature and after-ripening signals to germination processes including phytohormone metabolism.

Summary Plant defense responses involve several biological processes that allow plants to fight against pathogenic attacks. How these different processes are orchestrated within organs and depend on specific cell types is poorly known. Here, using scRNA-seq technology on three independent biological replicates, we identified 10 distinct cell populations in wild-type Arabidopsis leaves inoculated with the bacterial pathogen Pseudomonas syringae DC3000. Among those, we retrieved major cell types of the leaves (mesophyll, guard, epidermal, companion and vascular S cells) to which we could associate characteristic transcriptional reprogramming and regulators, thereby specifying different cell-type responses to the pathogen. Further analyses of transcriptional dynamics, based on inference of cell trajectories, indicated that the different cell types, in addition to their characteristic defense responses, can also share similar modules of gene reprogramming, allowing for instance vascular S cells, epidermal cells and mesophyll cells to converge towards an identical cell fate, mostly characterized by lignification and detoxification functions. Moreover, it appeared that the defense responses of these three cell types can evolve along a second separate path. As this divergence does not correspond to the differentiation between immune and susceptible cells, we speculate that this might reflect the discrimination between cell-autonomous and non-cell-autonomous responses. Altogether our data provide an upgraded framework to describe, explore and explain the specialization and the coordination of plant cell responses upon pathogenic challenge.

Plant responses to nutrient availability are critical for plant development and yield. Nitrate, the major form of nitrogen in most soils, serves as both a nutrient and signaling molecule. Nitrate itself triggers rapid, major changes in gene expression, especially via NIN-LIKE PROTEIN (NLP) transcription factors, and stimulates protein phosphorylation. Mitogen-activated protein (MAP) kinase genes are among the early nitrate-responsive genes; however, little is known about their roles in nitrate signaling pathways. Here, we show that nitrate resupply to nitrogen-depleted Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) plants triggers, within minutes, a MAPK cascade that requires NLP-dependent transcriptional induction of MITOGEN-ACTIVATED PROTEIN KINASE KINASE KINASE 13 (MAP3K13) and MAP3K14. Importantly, nitrate reductase-deficient mutants exhibited nitrate-induced MAPK activities comparable to those observed in wild-type plants, indicating that nitrate itself is the signal that stimulates the cascade. We show that the modified expression of MAP3K13 and MAP3K14 affects nitrate-stimulated gene expression and modulates plant responses to nitrogen availability, such as nitrate uptake and senescence. Our finding that a MAPK cascade involving MAP3K13 and MAP3K14 functions in the complex regulatory network governing responses to nitrate availability will guide future strategies to optimize plant responses to nitrogen fertilization and nitrogen use efficiency.

Wounding is caused by abiotic and biotic factors and triggers complex short- and long-term responses at the local and systemic level. These responses are under the control of complex signaling pathways, which are still poorly understood. Here, we show that the rapid activation of MKK4/5-MPK3/6 by wounding is independent of jasmonic acid (JA) signaling and that, contrary to what happens in tobacco, this fast module does not control wound-triggered JA accumulation in Arabidopsis. We also demonstrate that a second MAPK module, constituted by MKK3 and the clade-C MAPKs MPK1/2/7, is activated by wounding in an independent manner. We provide evidence that the activation of this MKK3-MPK1/2/7 module occurs mainly through wound-induced JA production via the transcriptional regulation of upstream clade-III MAP3Ks and particularly MAP3K14. We show that mkk3 mutant plants are more susceptible to the larvae of the generalist lepidopteran herbivore Spodoptera littoralis, indicating that the MKK3-MPK1/2/7 module is involved in counteracting insect feeding.