Plants have the ability to acquire an enhanced level of resistance to pathogen attack after being exposed to specific biotic stimuli. In Arabidopsis, nonpathogenic, root-colonizing Pseudomonas fluorescens bacteria trigger an induced systemic resistance (ISR) response against infection by the bacterial leaf pathogen P. syringae pv tomato. In contrast to classic, pathogen-induced systemic acquired resistance (SAR), this rhizobacteria-mediated ISR response is independent of salicylic acid accumulation and pathogenesis-related gene activation. Using the jasmonate response mutant jar1, the ethylene response mutant etr1, and the SAR regulatory mutant npr1, we demonstrate that signal transduction leading to P. fluorescens WCS417r–mediated ISR requires responsiveness to jasmonate and ethylene and is dependent on NPR1. Similar to P. fluorescens WCS417r, methyl jasmonate and the ethylene precursor 1-aminocyclopropane-1-carboxylate were effective in inducing resistance against P. s. tomato in salicylic acid–nonaccumulating NahG plants. Moreover, methyl jasmonate–induced protection was blocked in jar1, etr1, and npr1 plants, whereas 1-aminocyclopropane-1-carboxylate–induced protection was affected in etr1 and npr1 plants but not in jar1 plants. Hence, we postulate that rhizobacteria-mediated ISR follows a novel signaling pathway in which components from the jasmonate and ethylene response are engaged successively to trigger a defense reaction that, like SAR, is regulated by NPR1. We provide evidence that the processes downstream of NPR1 in the ISR pathway are divergent from those in the SAR pathway, indicating that NPR1 differentially regulates defense responses, depending on the signals that are elicited during induction of resistance.

Systemic acquired resistance is a pathogen-inducible defense mechanism in plants. The resistant state is dependent on endogenous accumulation of salicylic acid (SA) and is characterized by the activation of genes encoding pathogenesis-related (PR) proteins. Recently, selected nonpathogenic, root-colonizing biocontrol bacteria have been shown to trigger a systemic resistance response as well. To study the molecular basis underlying this type of systemic resistance, we developed an Arabidopsis-based model system using Fusarium oxysporum f sp raphani and Pseudomonas syringae pv tomato as challenging pathogens. Colonization of the rhizosphere by the biological control strain WCS417r of P. fluorescens resulted in a plant-mediated resistance response that significantly reduced symptoms elicited by both challenging pathogens. Moreover, growth of P. syringae in infected leaves was strongly inhibited in P. fluorescens WCS417r-treated plants. Transgenic Arabidopsis NahG plants, unable to accumulate SA, and wild-type plants were equally responsive to P. fluorescens WCS417r-mediated induction of resistance. Furthermore, P. fluorescens WCS417r-mediated systemic resistance did not coincide with the accumulation of PR mRNAs before challenge inoculation. These results indicate that P. fluorescens WCS417r induces a pathway different from the one that controls classic systemic acquired resistance and that this pathway leads to a form of systemic resistance independent of SA accumulation and PR gene expression.

The plant-signaling molecules salicylic acid (SA) and jasmonic acid (JA) play an important role in induced disease resistance pathways. Cross-talk between SA- and JA-dependent pathways can result in inhibition of JA-mediated defense responses. We investigated possible antagonistic interactions between the SA-dependent systemic acquired resistance (SAR) pathway, which is induced upon pathogen infection, and the JA-dependent induced systemic resistance (ISR) pathway, which is triggered by nonpathogenic Pseudomonas rhizobacteria. In Arabidopsis thaliana , SAR and ISR are effective against a broad spectrum of pathogens, including the foliar pathogen Pseudomonas syringae pv. tomato ( Pst ). Simultaneous activation of SAR and ISR resulted in an additive effect on the level of induced protection against Pst . In Arabidopsis genotypes that are blocked in either SAR or ISR, this additive effect was not evident. Moreover, induction of ISR did not affect the expression of the SAR marker gene PR-1 in plants expressing SAR. Together, these observations demonstrate that the SAR and the ISR pathway are compatible and that there is no significant cross-talk between these pathways. SAR and ISR both require the key regulatory protein NPR1. Plants expressing both types of induced resistance did not show elevated Npr1 transcript levels, indicating that the constitutive level of NPR1 is sufficient to facilitate simultaneous expression of SAR and ISR. These results suggest that the enhanced level of protection is established through parallel activation of complementary, NPR1-dependent defense responses that are both active against Pst . Therefore, combining SAR and ISR provides an attractive tool for the improvement of disease control.

Plants can develop an enhanced defensive capacity in response to infection by arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). This 'mycorrhiza-induced resistance' (MIR) provides systemic protection against a wide range of attackers and shares characteristics with systemic acquired resistance (SAR) after pathogen infection and induced systemic resistance (ISR) following root colonisation by non-pathogenic rhizobacteria. It is commonly assumed that fungal stimulation of the plant immune system is solely responsible for MIR. In this opinion article, we present a novel model of MIR that integrates different aspects of the induced resistance phenomenon. We propose that MIR is a cumulative effect of direct plant responses to mycorrhizal infection and indirect immune responses to ISR-eliciting rhizobacteria in the mycorrhizosphere.

Transcriptional regulation is a central process in plant immunity. The induction or repression of defense genes is orchestrated by signaling networks that are directed by plant hormones of which salicylic acid (SA) and jasmonic acid (JA) are the major players. Extensive cross-communication between the hormone signaling pathways allows for fine tuning of transcriptional programs, determining resistance to invaders and trade-offs with plant development. Here, we give an overview of how SA can control transcriptional reprogramming of JA-induced genes in Arabidopsis thaliana. SA can influence activity and/or localization of transcriptional regulators by post-translational modifications of transcription factors and co-regulators. SA-induced redox changes, mediated by thioredoxins and glutaredoxins, modify transcriptional regulators that are involved in suppression of JA-dependent genes, such as NPR1 and TGA transcription factors, which affects their localization or DNA binding activity. Furthermore, SA can mediate sequestering of JA-responsive transcription factors away from their target genes by stalling them in the cytosol or in complexes with repressor proteins in the nucleus. SA also affects JA-induced transcription by inducing degradation of transcription factors with an activating role in JA signaling, as was shown for the ERF transcription factor ORA59. Additionally, SA can induce negative regulators, among which WRKY transcription factors, that can directly or indirectly inhibit JA-responsive gene expression. Finally, at the DNA level, modification of histones by SA-dependent factors can result in repression of JA-responsive genes. These diverse and complex regulatory mechanisms affect important signaling hubs in the integration of hormone signaling networks. Some pathogens have evolved effectors that highjack hormone crosstalk mechanisms for their own good, which are described in this review as well.

Selected nonpathogenic, root-colonizing bacteria are able to elicit induced systemic resistance (ISR) in plants. To elucidate the molecular mechanisms underlying this type of systemic resistance, an Arabidopsis-based model system was developed in which Pseudomonas syringae pv. tomato and Fusarium oxysporum f. sp. raphani were used as challenging pathogens. In Arabidopsis thaliana ecotypes Columbia and Landsberg erecta, colonization of the rhizosphere by P. fluorescens strain WCS417r induced systemic resistance against both pathogens. In contrast, ecotype RLD did not respond to WCS417r treatment, whereas all three ecotypes expressed systemic acquired resistance upon treatment with salicylic acid (SA). P. fluorescens strain WCS374r, previously shown to induce ISR in radish, did not elicit ISR in Arabidopsis. The opposite was found for P. putida strain WCS358r, which induced ISR in Arabidopsis but not in radish. These results demonstrate that rhizosphere pseudomonads are differentially active in eliciting ISR in related plant species. The outer membrane lipopolysaccharide (LPS) of WCS417r is the main ISR-inducing determinant in radish and carnation, and LPS-containing cell walls also elicit ISR in Arabidopsis. However, mutant WCS417rOA¯, lacking the O-antigenic side chain of the LPS, induced levels of protection similar to those induced by wild-type WCS417r. This indicates that ISR-inducing bacteria produce more than a single factor that trigger ISR in Arabidopsis. Furthermore, WCS417r and WCS358r induced protection in both wildtype Arabidopsis and SA-nonaccumulating NahG plants without activating pathogenesis-related gene expression. This suggests that elicitation of an SA-independent signaling pathway is a characteristic feature of ISR-inducing biocontrol bacteria.

Antagonism between the defense hormones salicylic acid (SA) and jasmonic acid (JA) plays a central role in the modulation of the plant immune signaling network, but the molecular mechanisms underlying this phenomenon are largely unknown. Here, we demonstrate that suppression of the JA pathway by SA functions downstream of the E3 ubiquitin-ligase Skip-Cullin-F-box complex SCF(COI1), which targets JASMONATE ZIM-domain transcriptional repressor proteins (JAZs) for proteasome-mediated degradation. In addition, neither the stability nor the JA-induced degradation of JAZs was affected by SA. In silico promoter analysis of the SA/JA crosstalk transcriptome revealed that the 1-kb promoter regions of JA-responsive genes that are suppressed by SA are significantly enriched in the JA-responsive GCC-box motifs. Using GCC:GUS lines carrying four copies of the GCC-box fused to the β-glucuronidase reporter gene, we showed that the GCC-box motif is sufficient for SA-mediated suppression of JA-responsive gene expression. Using plants overexpressing the GCC-box binding APETALA2/ETHYLENE RESPONSE FACTOR (AP2/ERF) transcription factors ERF1 or ORA59, we found that SA strongly reduces the accumulation of ORA59 but not that of ERF1. Collectively, these data indicate that the SA pathway inhibits JA signaling downstream of the SCF(COI1)-JAZ complex by targeting GCC-box motifs in JA-responsive promoters via a negative effect on the transcriptional activator ORA59.

Plants live in complex environments in which they intimately interact with a broad range of other organisms. Besides the plethora of deleterious interactions with pathogens and insect herbivores, relationships with beneficial microorganisms are frequent in nature as well, improving plant growth or helping the plant to overcome stress. The evolutionary arms race between plants and their enemies provided plants with a highly sophisticated defense system that, like the animal innate immune system, recognizes nonself molecules or signals from injured cells, and responds by activating an effective immune response against the invader encountered. Recent advances in plant immunity research underpin the pivotal role of cross-communicating hormones in the regulation of the plant’s defense signaling network (Spoel and Dong, 2008; Pieterse et al., 2009). Their powerful regulatory potential allows the plant to quickly adapt to its hostile environment and to utilize its resources in a cost-efficient manner. Plant enemies on the other hand, can hijack the plant’s defense signaling network for their own benefit by affecting hormone homeostasis to antagonize the host immune response (Grant and Jones, 2009). Similarly, beneficial microbes actively interfere with hormone-regulated immune responses to avoid being recognized as an alien organism (Van Wees et al., 2008). In nature, plants simultaneously or sequentially interact with multiple beneficial and antagonistic organisms with very different lifestyles. However, knowledge on how the hormone-regulated plant immune signaling network functions during multispecies interactions is still in its infancy. Bioinformatic and systems biology approaches will prove essential to crack this tough nut.

Summary Beneficial root endophytes such as Trichoderma spp. can reduce infections by parasitic nematodes through triggering host defences. Little is currently known about the complex hormone signalling underlying the induction of resistance. In this study, we investigated whether Trichoderma modulates the hormone signalling network in the host to induce resistance to nematodes. We investigated the role and the timing of the jasmonic acid ( JA )‐ and salicylic acid ( SA )‐regulated defensive pathways in Trichoderma ‐induced resistance to the root knot nematode Meloidogyne incognita . A split‐root system of tomato ( Solanum lycopersicum ) was used to study local and systemic induced defences by analysing nematode performance, defence gene expression, responsiveness to exogenous hormone application, and dependence on SA and JA signalling of Trichoderma ‐induced resistance. Root colonization by Trichoderma impeded nematode performance both locally and systemically at multiple stages of the parasitism, that is, invasion, galling and reproduction. First, Trichoderma primed SA ‐regulated defences, which limited nematode root invasion. Then, Trichoderma enhanced JA ‐regulated defences, thereby antagonizing the deregulation of JA ‐dependent immunity by the nematodes, which compromised galling and fecundity. Our results show that Trichoderma primes SA ‐ and JA ‐dependent defences in roots, and that the priming of responsiveness to these hormones upon nematode attack is plastic and adaptive to the parasitism stage.

Jasmonates (JAs) and salicylic acid (SA) are plant hormones that play pivotal roles in the regulation of induced defenses against microbial pathogens and insect herbivores. Their signaling pathways cross-communicate providing the plant with a regulatory potential to finely tune its defense response to the attacker(s) encountered. In Arabidopsis thaliana, SA strongly antagonizes the jasmonic acid (JA) signaling pathway, resulting in the downregulation of a large set of JA-responsive genes, including the marker genes PDF1.2 and VSP2. Induction of JA-responsive marker gene expression by different JA derivatives was equally sensitive to SA-mediated suppression. Activation of genes encoding key enzymes in the JA biosynthesis pathway, such as LOX2, AOS, AOC2, and OPR3 was also repressed by SA, suggesting that the JA biosynthesis pathway may be a target for SA-mediated antagonism. To test this, we made use of the mutant aos/dde2, which is completely blocked in its ability to produce JAs because of a mutation in the ALLENE OXIDE SYNTHASE gene. Mutant aos/dde2 plants did not express the JA-responsive marker genes PDF1.2 or VSP2 in response to infection with the necrotrophic fungus Alternaria brassicicola or the herbivorous insect Pieris rapae. Bypassing JA biosynthesis by exogenous application of methyl jasmonate (MeJA) rescued this JA-responsive phenotype in aos/dde2. Application of SA suppressed MeJA-induced PDF1.2 expression to the same level in the aos/dde2 mutant as in wild-type Col-0 plants, indicating that SA-mediated suppression of JA-responsive gene expression is targeted at a position downstream of the JA biosynthesis pathway.