Chitin is a major component of fungal cell walls and serves as a microbe-associated molecular pattern (MAMP) for the detection of various potential pathogens in innate immune systems of both plants and animals. We recently showed that chitin elicitor-binding protein (CEBiP), plasma membrane glycoprotein with LysM motifs, functions as a cell surface receptor for chitin elicitor in rice. The predicted structure of CEBiP does not contain any intracellular domains, suggesting that an additional component(s) is required for signaling through the plasma membrane into the cytoplasm. Here, we identified a receptor-like kinase, designated CERK1, which is essential for chitin elicitor signaling in Arabidopsis . The KO mutants for CERK1 completely lost the ability to respond to the chitin elicitor, including MAPK activation, reactive oxygen species generation, and gene expression. Disease resistance of the KO mutant against an incompatible fungus, Alternaria brassicicola , was partly impaired. Complementation with the WT CERK1 gene showed cerk1 mutations were responsible for the mutant phenotypes. CERK1 is a plasma membrane protein containing three LysM motifs in the extracellular domain and an intracellular Ser/Thr kinase domain with autophosphorylation/myelin basic protein kinase activity, suggesting that CERK1 plays a critical role in fungal MAMP perception in plants.

Abstract Suppression of seed germination at supraoptimal high temperature (thermoinhibiton) during summer is crucial for Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) to establish vegetative and reproductive growth in appropriate seasons. Abscisic acid (ABA) and gibberellins (GAs) are well known to be involved in germination control, but it remains unknown how these hormone actions (metabolism and responsiveness) are altered at high temperature. Here, we show that ABA levels in imbibed seeds are elevated at high temperature and that this increase is correlated with up-regulation of the zeaxanthin epoxidase gene ABA1/ZEP and three 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase genes, NCED2, NCED5, and NCED9. Reverse-genetic studies show that NCED9 plays a major and NCED5 and NCED2 play relatively minor roles in high temperature-induced ABA synthesis and germination inhibition. We also show that bioactive GAs stay at low levels at high temperature, presumably through suppression of GA 20-oxidase genes, GA20ox1, GA20ox2, and GA20ox3, and GA 3-oxidase genes, GA3ox1 and GA3ox2. Thermoinhibition-tolerant germination of loss-of-function mutants of GA negative regulators, SPINDLY (SPY) and RGL2, suggests that repression of GA signaling is required for thermoinibition. Interestingly, ABA-deficient aba2-2 mutant seeds show significant expression of GA synthesis genes and repression of SPY expression even at high temperature. In addition, the thermoinhibition-resistant germination phenotype of aba2-1 seeds is suppressed by a GA biosynthesis inhibitor, paclobutrazol. We conclude that high temperature stimulates ABA synthesis and represses GA synthesis and signaling through the action of ABA in Arabidopsis seeds.

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 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.