Sun-loving plants have the ability to detect and avoid shading through sensing of both blue and red light wavelengths. Higher plant cryptochromes (CRYs) control how plants modulate growth in response to changes in blue light. For growth under a canopy, where blue light is diminished, CRY1 and CRY2 perceive this change and respond by directly contacting two bHLH transcription factors, PIF4 and PIF5. These factors are also known to be controlled by phytochromes, the red/far-red photoreceptors; however, transcriptome analyses indicate that the gene regulatory programs induced by the different light wavelengths are distinct. Our results indicate that CRYs signal by modulating PIF activity genome wide and that these factors integrate binding of different plant photoreceptors to facilitate growth changes under different light conditions.

Abstract Arabidopsis thaliana plants fend off insect attack by constitutive and inducible production of toxic metabolites, such as glucosinolates (GSs). A triple mutant lacking MYC2, MYC3, and MYC4, three basic helix-loop-helix transcription factors that are known to additively control jasmonate-related defense responses, was shown to have a highly reduced expression of GS biosynthesis genes. The myc2 myc3 myc4 (myc234) triple mutant was almost completely devoid of GS and was extremely susceptible to the generalist herbivore Spodoptera littoralis. On the contrary, the specialist Pieris brassicae was unaffected by the presence of GS and preferred to feed on wild-type plants. In addition, lack of GS in myc234 drastically modified S. littoralis feeding behavior. Surprisingly, the expression of MYB factors known to regulate GS biosynthesis genes was not altered in myc234, suggesting that MYC2/MYC3/MYC4 are necessary for direct transcriptional activation of GS biosynthesis genes. To support this, chromatin immunoprecipitation analysis showed that MYC2 binds directly to the promoter of several GS biosynthesis genes in vivo. Furthermore, yeast two-hybrid and pull-down experiments indicated that MYC2/MYC3/MYC4 interact directly with GS-related MYBs. This specific MYC–MYB interaction plays a crucial role in the regulation of defense secondary metabolite production and underlines the importance of GS in shaping plant interactions with adapted and nonadapted herbivores.

Salicylic acid (SA) is a plant signaling molecule that mediates the induction of defense responses upon attack by a variety of pathogens. Moreover, it antagonizes gene induction by the stress signaling molecule jasmonic acid (JA). Several SA-responsive genes are regulated by basic/leucine zipper-type transcription factors of the TGA family. TGA factors interact with NPR1, a central regulator of many SA-induced defense responses including SA/JA antagonism. In order to identify further regulatory proteins of SA-dependent signaling pathways, a yeast protein interaction screen with tobacco TGA2.2 as bait and an Arabidopsis thaliana cDNA prey library was performed and led to the identification of a member of the glutaredoxin family (GRX480, encoded by At1g28480). Glutaredoxins are candidates for mediating redox regulation of proteins because of their capacity to catalyze disulfide transitions. This agrees with previous findings that the redox state of both TGA1 and NPR1 changes under inducing conditions. Transgenic Arabidopsis plants ectopically expressing GRX480 show near wild-type expression of standard marker genes for SA- and xenobiotic-inducible responses. In contrast, transcription of the JA-dependent defensin gene PDF1.2 was antagonized by transgenic GRX480. This, together with the observation that GRX480 transcription is SA-inducible and requires NPR1, suggests a role of GRX480 in SA/JA cross-talk. Suppression of PDF1.2 by GRX480 depends on the presence of TGA factors, indicating that the GRX480/TGA interaction is effective in planta.

Abstract Understanding the systems-level actions of transcriptional responses to hormones provides insight into how the genome is reprogrammed in response to environmental stimuli. Here, we investigate the signaling pathway of the hormone jasmonic acid (JA), which controls a plethora of critically important processes in plants and is orchestrated by the transcription factor MYC2 and its closest relatives in Arabidopsis thaliana. We generated an integrated framework of the response to JA that spans from the activity of master and secondary-regulatory transcription factors, through gene expression outputs and alternative splicing to protein abundance changes, protein phosphorylation and chromatin remodeling. We integrated time series transcriptome analysis with (phospho)proteomic data to reconstruct gene regulatory network models. These enable us to predict previously unknown points of crosstalk from JA to other signaling pathways and to identify new components of the JA regulatory mechanism, which we validated through targeted mutant analysis. These results provide a comprehensive understanding of how a plant hormone remodels cellular functions and plant behavior, the general principles of which provide a framework for analysis of cross-regulation between other hormone and stress signaling pathways.

The pivotal interplay between light receptors and PHYTOCHROME INTERACTING FACTORs (PIFs) serves as an essential regulatory hub that perceives and integrates environmental cues into the plant's transcriptional networks. A critical control component of environmentally-responsive gene networks is the histone variant H2A.Z which provides transcriptional plasticity and prevents undesired gene activation. However, the functional relationship between PIF transcription factors and H2A.Z is only poorly understood. Here, we describe a genomic approach that utilizes the rapid and reversible light-mediated manipulation of PIF7 activity to visualize PIF7 DNA binding and H2A.Z occupancy kinetics. Strikingly, PIFs shape the H2A.Z landscape in a light quality-dependent manner. In addition, we observed that PIFs initiate H2A.Z eviction through direct interaction with EIN6 ENHANCER (EEN), a subunit of INO80 chromatin remodeling complex. These studies uncover a previously unknown PIF-INO80 regulatory module controlling plant growth in response to rapid environmental changes.

Over the last 35 years the soil bacterium Agrobacterium tumefaciens has been the workhorse tool for plant genome engineering. Replacement of native tumor-inducing (Ti) plasmid elements with customizable cassettes enabled insertion of a sequence of interest called Transfer DNA (T-DNA) into any plant genome. Although these T-DNA transfer mechanisms are well understood, detailed understanding of structure and epigenomic status of insertion events was limited by current technologies. To fill this gap, we analyzed transgenic Arabidopsis thaliana lines from three widely used collections (SALK, SAIL and WISC) with two single molecule technologies, optical genome mapping and nanopore sequencing. Optical maps for four randomly selected T-DNA lines revealed between one and seven insertions/rearrangements, and for the first time the actual length of individual transgene insertions from 27 to 236 kilobases. De novo nanopore sequencing-based genome assemblies for two segregating lines resolved T-DNA structures up to 36 kb into the insertions and revealed large-scale T-DNA associated translocations and exchange of chromosome arm ends. The multiple internally rearranged nature of T-DNA arrays made full assembly impossible, even with long nanopore reads. For the current TAIR10 reference genome, nanopore contigs corrected 83% of non-centromeric misassemblies. This unprecedented nucleotide-level definition of T-DNA insertions enabled the mapping of epigenome data. We identify variable small RNA transgene targeting and DNA methylation. SALK_059379 T-DNA insertions were enriched for 24nt siRNAs and contained dense cytosine DNA methylation. Transgene silencing via the RNA-directed DNA methylation pathway was confirmed by in planta assays. In contrast, SAIL_232 T-DNA insertions are predominantly targeted by 21/22nt siRNAs, with DNA methylation and silencing limited to a reporter, but not the resistance gene. With the emergence of genome editing technologies that rely on Agrobacterium for gene delivery, this study provides new insights into the structural impact of engineering plant genomes and demonstrates the utility of state-of-the-art long-range sequencing technologies to rapidly identify unanticipated genomic changes.

Cross-regulation between hormone signaling pathways is indispensable for plant growth and development. However, the molecular mechanisms by which multiple hormones interact and co-ordinate activity need to be understood. Here, we generated a cross-regulation network explaining how hormone signals are integrated from multiple pathways in etiolated Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) seedlings. To do so we comprehensively characterized transcription factor activity during plant hormone responses and reconstructed dynamic transcriptional regulatory models for six hormones; abscisic acid, brassinosteroid, ethylene, jasmonic acid, salicylic acid and strigolactone/karrikin. These models incorporated target data for hundreds of transcription factors and thousands of protein-protein interactions. Each hormone recruited different combinations of transcription factors, a subset of which were shared between hormones. Hub target genes existed within hormone transcriptional networks, exhibiting transcription factor activity themselves. In addition, a group of MITOGEN-ACTIVATED PROTEIN KINASES (MPKs) were identified as potential key points of cross-regulation between multiple hormones. Accordingly, the loss of function of one of these (MPK6) disrupted the global proteome, phosphoproteome and transcriptome during hormone responses. Lastly, we determined that all hormones drive substantial alternative splicing that has distinct effects on the transcriptome compared with differential gene expression, acting in early hormone responses. These results provide a comprehensive understanding of the common features of plant transcriptional regulatory pathways and how cross-regulation between hormones acts upon gene expression.

Epigenetic modifications of DNA regulate gene expression throughout the lifespan in neurons. Two major epigenetic pathways of repression, DNA methylation and Polycomb repressive complex 2 (PRC2) mediated gene silencing, regulate neuronal physiology and function, but their relative contributions are unknown. We found that conditional loss of the de novo DNA methyltransferase Dnmt3a in mouse excitatory neurons altered expression of synapse-related genes, impaired the maturation of postsynaptic dendritic spines and dampened neuronal excitability. These phenotypes were accompanied by working memory and social interest deficits. To elucidate the epigenetic mechanisms, we performed deep sequencing of DNA methylation, transcription, and chromatin modifications in cortical excitatory neurons. Loss of Dnmt3a abolished postnatal accumulation of CG and non-CG DNA methylation, leaving neurons with an unmethylated, fetal-like epigenomic pattern at ~140,000 genomic regions. The PRC2 associated histone modification H3K27me3 increased at many of these sites, partially compensating for the loss of DNA methylation. Our results suggest a complex interaction between two key modes of epigenetic repression of gene expression during brain development that supports cognitive function in adulthood.