As sessile organisms, plants must adapt to variations in the environment. Environmental stress triggers various responses, including growth inhibition, mediated by the plant hormone abscisic acid (ABA). The mechanisms that integrate stress responses with growth are poorly understood. Here, we discovered that the Target of Rapamycin (TOR) kinase phosphorylates PYL ABA receptors at a conserved serine residue to prevent activation of the stress response in unstressed plants. This phosphorylation disrupts PYL association with ABA and with PP2C phosphatase effectors, leading to inactivation of SnRK2 kinases. Under stress, ABA-activated SnRK2s phosphorylate Raptor, a component of the TOR complex, triggering TOR complex dissociation and inhibition. Thus, TOR signaling represses ABA signaling and stress responses in unstressed conditions, whereas ABA signaling represses TOR signaling and growth during times of stress. Plants utilize this conserved phospho-regulatory feedback mechanism to optimize the balance of growth and stress responses.

Mitogen-activated protein kinase cascades are important signaling modules that convert environmental stimuli into cellular responses. We show that MPK3, MPK4, and MPK6 are rapidly activated after cold treatment. The mpk3 and mpk6 mutants display increased expression of CBF genes and enhanced freezing tolerance, whereas constitutive activation of the MKK4/5-MPK3/6 cascade in plants causes reduced expression of CBF genes and hypersensitivity to freezing, suggesting that the MKK4/5-MPK3/6 cascade negatively regulates the cold response. MPK3 and MPK6 can phosphorylate ICE1, a basic-helix-loop-helix transcription factor that regulates the expression of CBF genes, and the phosphorylation promotes the degradation of ICE1. Interestingly, the MEKK1-MKK2-MPK4 pathway constitutively suppresses MPK3 and MPK6 activities and has a positive role in the cold response. Furthermore, the MAPKKK YDA and two calcium/calmodulin-regulated receptor-like kinases, CRLK1 and CRLK2, negatively modulate the cold activation of MPK3/6. Our results uncover important roles of MAPK cascades in the regulation of plant cold response.

The state of protein phosphorylation can be a key determinant of cellular physiology such as early-stage cancer, but the development of phosphoproteins in biofluids for disease diagnosis remains elusive. Here we demonstrate a strategy to isolate and identify phosphoproteins in extracellular vesicles (EVs) from human plasma as potential markers to differentiate disease from healthy states. We identified close to 10,000 unique phosphopeptides in EVs isolated from small volumes of plasma samples. Using label-free quantitative phosphoproteomics, we identified 144 phosphoproteins in plasma EVs that are significantly higher in patients diagnosed with breast cancer compared with healthy controls. Several biomarkers were validated in individual patients using paralleled reaction monitoring for targeted quantitation. This study demonstrates that the development of phosphoproteins in plasma EV as disease biomarkers is highly feasible and may transform cancer screening and monitoring.

The phytohormone abscisic acid (ABA) plays important roles in plant development and adaptation to environmental stress. ABA induces the production of nitric oxide (NO) in guard cells, but how NO regulates ABA signaling is not understood. Here, we show that NO negatively regulates ABA signaling in guard cells by inhibiting open stomata 1 (OST1)/sucrose nonfermenting 1 (SNF1)-related protein kinase 2.6 (SnRK2.6) through S-nitrosylation. We found that SnRK2.6 is S-nitrosylated at cysteine 137, a residue adjacent to the kinase catalytic site. Dysfunction in the S-nitrosoglutathione (GSNO) reductase (GSNOR) gene in the gsnor1-3 mutant causes NO overaccumulation in guard cells, constitutive S-nitrosylation of SnRK2.6, and impairment of ABA-induced stomatal closure. Introduction of the Cys137 to Ser mutated SnRK2.6 into the gsnor1-3/ost1-3 double-mutant partially suppressed the effect of gsnor1-3 on ABA-induced stomatal closure. A cysteine residue corresponding to Cys137 of SnRK2.6 is present in several yeast and human protein kinases and can be S-nitrosylated, suggesting that the S-nitrosylation may be an evolutionarily conserved mechanism for protein kinase regulation.

Abstract Effective phosphoproteome of nanoscale sample analysis remains a daunting task, primarily due to significant sample loss associated with non-specific surface adsorption during enrichment of low stoichiometric phosphopeptide. We developed a novel tandem tip phosphoproteomics sample preparation method that is capable of sample cleanup and enrichment without additional sample transfer, and its integration with our recently developed SOP (Surfactant-assisted One-Pot sample preparation) and iBASIL (improved Boosting to Amplify Signal with Isobaric Labeling) approaches provides a streamlined workflow enabling sensitive, high-throughput nanoscale phosphoproteome measurements. This approach significantly reduces both sample loss and processing time, allowing the identification of >3,000 (>9,500) phosphopeptides from 1 (10) µg of cell lysate using the label-free method without a spectral library. It also enabled precise quantification of ∼600 phosphopeptides from 100 cells sorted by FACS (single-cell level input for the enriched phosphopeptides) and ∼700 phosphopeptides from human spleen tissue voxels with a spatial resolution of 200 µm (equivalent to ∼100 cells) in a high-throughput manner. The new workflow opens avenues for phosphoproteome profiling of mass-limited samples at the low nanogram level.

Osmotic stress significantly hampers plant growth and crop yields, emphasizing the need for a thorough comprehension of the underlying molecular responses. Previous research has demonstrated that osmotic stress rapidly induces calcium influx and signaling, along with the activation of a specific subset of protein kinases, notably the Raf-SnRK2 kinase cascades within minutes. However, the intricate interplay between calcium signaling and the activation of RAF-SnRK2 kinase cascades remains elusive. Here in this study, we discovered that Raf-like protein (RAF) kinases undergo hyperphosphorylation in response to osmotic shocks. Intriguingly, treatment with the calcium chelator EGTA robustly activates RAF-SnRK2 cascades, mirroring the effects of osmotic treatment. Utilizing high-throughput DIA-based phosphoproteomics, we unveiled the global impact of EGTA on protein phosphorylation. Beyond the activation of RAFs and sucrose non-fermenting-1-related protein kinase 2s (SnRK2s), EGTA treatment also activates mitogen-activated protein kinase (MAPKs) cascades, Calcium-dependent protein kinases (CDPKs), and receptor-like protein kinases, etc. Through overlapping assays, we identified potential roles of mitogen-activated protein kinase kinase kinase kinases (MAP4Ks) and receptor-like protein kinases in the osmotic-stress-induced activation of RAF-SnRK2 cascades. Our findings illuminate the regulation of phosphorylation and cellular events by Ca

It is well-known that in addition to its classical role in protein turnover, ubiquitination is required for a variety of membrane protein sorting events. However, and despite substantial progress in the field, a long-standing question remains: given that all ubiquitin (Ub) units are identical, how do different elements of the sorting machinery recognize their specific cargoes? Here we provide an answer to this question as we discovered a mechanism based on the coincidence detection of lysine ubiquitination and Ser/Thr phosphorylation for the endocytic adaptor epsin to mediate the internalization of the yeast Na+ pump Ena1. Internalization of Ena1-GFP was abolished in double epsin knock-out in S. cerevisiae and was rescued by re-introducing either one of the 2 yeast epsins, Ent1 or Ent2 in an UIM (Ub Interacting Motif)-dependent manner. Further, our results indicate that ubiquitination of its C-terminal Lys1090 is needed for internalization of Ena1 and requires the arrestin-related-trafficking adaptor, Art3. We determined that in addition to ubiquitination of K1090, the presence of a Ser/Thr-rich patch (S1076TST1079) within Ena1 was also essential for its internalization. Our results suggest that this ST motif is targeted for phosphorylation by casein kinases. Nevertheless, phosphorylation of this S/T patch was not required for ubiquitination. Instead, ubiquitination of K1090 and phosphorylation of the ST motif were independently needed for epsin-mediated internalization of Ena1. We propose a model in which a dual detection mechanism is used by Ub-binding elements of the sorting machinery to differentiate among multiple Ub-cargoes.

Transient protein-protein interactions (PPIs), such as those between posttranslational modifying enzymes and their substrates, play key roles in cellular regulation, but are difficult to identify. Here we demonstrate the application of enzyme-catalyzed proximity labeling (PL), using the engineered promiscuous biotin ligase TurboID, as a sensitive method for characterizing PPIs in signaling networks. We show that TurboID fused with the GSK3-like kinase BIN2 or a PP2A phosphatase biotinylates their known substrate, the BZR1 transcription factor, with high specificity and efficiency. We optimized the protocol of biotin labeling and affinity purification in transgenic Arabidopsis expressing a BIN2-TurboID fusion protein. Subsequent quantitative mass spectrometry (MS) analysis identified about three hundred proteins biotinylated by BIN2-TurboID more efficiently than the YFP-TurboID control. These include a significant subset of previously proven BIN2 interactors and a large number of new BIN2-proximal proteins that uncover a broad BIN2 signaling network. Our study illustrates that PL-MS using TurboID is a powerful tool for mapping signaling networks, and reveals broad roles of BIN2 kinase in cellular signaling and regulation in plants.

ABSTRACT Plant phosphoproteomics provides a global view of phosphorylation-mediated signaling in plants; however, it demands high-throughput methods with sensitive detection and accurate quantification. Although protein precipitation is indispensable for removing contaminants and improving sample purity, it limits the sensitivity and throughput of plant phosphoproteomic analysis. The multiple handling steps involved in protein precipitation lead to sample loss and process variability. Herein, we developed an approach based on suspension trapping (S-Trap), termed tandem S-Trap-IMAC (immobilized metal ion affinity chromatography), by integrating an S-Trap micro column with an Fe-IMAC tip. Compared with a precipitation-based workflow, the tandem S-Trap-IMAC method deepened the coverage of the Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ) phosphoproteome by more than 30%, with improved quantification accuracy and short sample processing time. We applied the tandem S-Trap-IMAC method for studying abscisic acid (ABA) signaling in Arabidopsis seedlings. We thus identified 24,055 phosphopeptides and quantified several key phosphorylation sites on core ABA signaling components across four time points. Our results show that the optimized workflow aids high-throughput phosphoproteome profiling of low-input plant samples.

Abstract Intracellular trafficking is essential to maintain the plasma membrane-cell wall interface, a site where environmental stimuli such as limited water availability can be perceived. However, the identity of plant trafficking regulators, and their relationship to drought resistance, is unclear. An amino acid substitution in the Non-Phototrophic Hypocotyl3 (NPH3) domain of NPH3/RPT2-Like5 (NRL5)/Naked Pins in Yucca8 (NPY8) causes extreme drought sensitivity due to mis-regulated proline metabolism. This NPH3-domain mutation inhibits NRL5 GTPase activity, disrupts interaction with RAB small GTPases and the SNARE proteins VAMP721/722, and diminishes NRL5 polar localization. Our finding that the NPH3 domain is a plant specific type of GTPase participating in intracellular trafficking provides a basis to understand NPH3-domain function in diverse processes including abiotic stress resistance, hormone signaling and maintenance of cellular polarity. One-Sentence Summary NRL5 mediates safe proline accumulation for drought resistance and has GTP-dependent interaction with trafficking-associated RAB and VAMP proteins.