The plant immune system is fundamental for plant survival in natural ecosystems and for productivity in crop fields. Substantial evidence supports the prevailing notion that plants possess a two-tiered innate immune system, called pattern-triggered immunity (PTI) and effector-triggered immunity (ETI). PTI is triggered by microbial patterns via cell surface-localized pattern-recognition receptors (PRRs), whereas ETI is activated by pathogen effector proteins via predominantly intracellularly localized receptors called nucleotide-binding, leucine-rich repeat receptors (NLRs)1–4. PTI and ETI are initiated by distinct activation mechanisms and involve different early signalling cascades5,6. Here we show that Arabidopsis PRR and PRR co-receptor mutants—fls2 efr cerk1 and bak1 bkk1 cerk1 triple mutants—are markedly impaired in ETI responses when challenged with incompatible Pseudomonas syrinage bacteria. We further show that the production of reactive oxygen species by the NADPH oxidase RBOHD is a critical early signalling event connecting PRR- and NLR-mediated immunity, and that the receptor-like cytoplasmic kinase BIK1 is necessary for full activation of RBOHD, gene expression and bacterial resistance during ETI. Moreover, NLR signalling rapidly augments the transcript and/or protein levels of key PTI components. Our study supports a revised model in which potentiation of PTI is an indispensable component of ETI during bacterial infection. This revised model conceptually unites two major immune signalling cascades in plants and mechanistically explains some of the long-observed similarities in downstream defence outputs between PTI and ETI. Bacteria elicit two distinct immune responses in Arabidopsis thaliana, mediated by diverse signalling receptors but working in a synergistic manner.

Soil salinity is a major abiotic stress that decreases plant growth and productivity. Recently, it was reported that plants overexpressing AtNHX1 or SOS1 have significantly increased salt tolerance. To test whether overexpression of multiple genes can improve plant salt tolerance even more, we produced six different transgenic Arabidopsis plants that overexpress AtNHX1, SOS3, AtNHX1+SOS3, SOS1, SOS2+SOS3, or SOS1+SOS2+SOS3. Northern blot analyses confirmed the presence of high levels of the relevant gene transcripts in transgenic plants. Transgenic Arabidopsis plants overexpressing AtNHX1 alone did not present any significant increase in salt tolerance, contrary to earlier reports. We found that transgenic plants overexpressing SOS3 exhibit increased salt tolerance similar to plants overexpressing SOS1. Moreover, salt tolerance of transgenic plants overexpressing AtNHX1+SOS3, SOS2+SOS3, or SOS1+SOS2+SOS3, respectively, appeared similar to the tolerance of transgenic plants overexpressing either SOS1 or SOS3 alone.

High humidity has a strong influence on the development of numerous diseases affecting the above-ground parts of plants (the phyllosphere) in crop fields and natural ecosystems, but the molecular basis of this humidity effect is not understood. Previous studies have emphasized immune suppression as a key step in bacterial pathogenesis. Here we show that humidity-dependent, pathogen-driven establishment of an aqueous intercellular space (apoplast) is another important step in bacterial infection of the phyllosphere. Bacterial effectors, such as Pseudomonas syringae HopM1, induce establishment of the aqueous apoplast and are sufficient to transform non-pathogenic P. syringae strains into virulent pathogens in immunodeficient Arabidopsis thaliana under high humidity. Arabidopsis quadruple mutants simultaneously defective in a host target (AtMIN7) of HopM1 and in pattern-triggered immunity could not only be used to reconstitute the basic features of bacterial infection, but also exhibited humidity-dependent dyshomeostasis of the endophytic commensal bacterial community in the phyllosphere. These results highlight a new conceptual framework for understanding diverse phyllosphere–bacterial interactions. A combination of high humidity and bacterial effectors, such as Pseudomonas syringae HopM1, creates an aqueous environment in the apoplast of immunodeficient Arabidopsis thaliana that allows non-pathogenic P. syringae strains to become virulent pathogens. High humidity has a profound influence on the development of numerous plant diseases in crop fields and natural ecosystems, but the molecular basis of this humidity effect is not understood. Sheng Yang He and colleagues show that plant pathogens such as Pseudomonas syringae actively establish an aqueous leaf apoplast—that is, a space between the cells and the cell walls—in a humidity-dependent manner through the secretion of conserved bacterial effectors. The effectors also cause alterations in the leaf-associated microbiota. This is a crucial step in plant infection by bacteria and the effectors involved are sufficient to transform non-pathogenic strains into virulent pathogens only under high humidity. Through elegant genetics work, the authors define immune suppression and aqueous apoplast formation as the minimal set of host processes required for bacterial pathogenesis in plant leaves.

The aboveground parts of terrestrial plants, collectively called the phyllosphere, have a key role in the global balance of atmospheric carbon dioxide and oxygen. The phyllosphere represents one of the most abundant habitats for microbiota colonization. Whether and how plants control phyllosphere microbiota to ensure plant health is not well understood. Here we show that the Arabidopsis quadruple mutant (min7 fls2 efr cerk1; hereafter, mfec)1, simultaneously defective in pattern-triggered immunity and the MIN7 vesicle-trafficking pathway, or a constitutively activated cell death1 (cad1) mutant, carrying a S205F mutation in a membrane-attack-complex/perforin (MACPF)-domain protein, harbour altered endophytic phyllosphere microbiota and display leaf-tissue damage associated with dysbiosis. The Shannon diversity index and the relative abundance of Firmicutes were markedly reduced, whereas Proteobacteria were enriched in the mfec and cad1S205F mutants, bearing cross-kingdom resemblance to some aspects of the dysbiosis that occurs in human inflammatory bowel disease. Bacterial community transplantation experiments demonstrated a causal role of a properly assembled leaf bacterial community in phyllosphere health. Pattern-triggered immune signalling, MIN7 and CAD1 are found in major land plant lineages and are probably key components of a genetic network through which terrestrial plants control the level and nurture the diversity of endophytic phyllosphere microbiota for survival and health in a microorganism-rich environment. Mutations in genes involved in immune signalling and vesicle trafficking cause defects in the leaf microbiome of Arabidopsis thaliana that result in damage to leaf tissues, suggesting mechanisms by which terrestrial plants control the level and diversity of endophytic phyllosphere microbiota.

Abstract The occurrence of plant disease is determined by interactions among host, pathogen and climate conditions. Air humidity has long been recognized to profoundly influence diseases in the phyllosphere and high air humidity (e.g., after rain falls) is known as a prerequisite for numerous disease outbreaks in the field 1–3 . However, the molecular basis of how high humidity interferes with plant resistance mechanisms to favor disease remained elusive. Here we show that high humidity is associated with an “immune-compromised” status of plants, revealed by lower expression of defense genes during bacterial infection of Arabidopsis plants. Examination of humidity’s effect on individual immune pathways showed that the accumulation and signaling of salicylic acid (SA), an essential hormone conferring plant resistance against infectious microbes 4,5 , are significantly inhibited under high humidity. Surprisingly, NPR1 protein, an SA receptor and central transcriptional co-activator of SA-responsive genes 6–9 , accumulated to a significantly higher level in the nucleus under high humidity. Further investigation indicated a decreased binding affinity of NPR1 protein to the target gene promoter, suggestive of an “inactive” nature of NPR1, under high humidity and an impaired ubiquitination and degradation of NPR1 protein, likely due to down-regulation of Cullin 3-mediated cellular ubiquitination pathway and 26S proteasome pathway under high humidity. Our study uncovers disruption of NPR1 protein turnover as a major mechanism, by which high humidity dampens plant immune strength against pathogens, and provides new insights into the long-observed air humidity influence on diseases in nature.

ABSTRACT Bacterial phytopathogens deliver effector proteins into host cells as key virulence weapons to cause disease. Extensive studies revealed diverse functions and biochemical properties of different effector proteins from pathogens. In this study, we show that the Pseudomonas syringae effector AvrE, the founding member of a broadly conserved and pathologically important bacterial effector family, binds to phosphatidylinositides (PIPs) in vitro and shares some properties with eukaryotic PROPPINs (β-propellers that bind polyphosphoinositides). In planta pull down experiments with transgenic Arabidopsis plants expressing AvrE revealed that AvrE is associated with several plant proteins including plasma membrane lipid-raft proteins. These results shed new light on the properties of a bacterial effector that is crucial for bacterial virulence in plants.

Climate warming influences disease development by targeting critical components of the plant immune system, including pattern-triggered immunity (PTI), effector-triggered immunity (ETI) and production of the central defence hormone salicylic acid (SA) at the primary pathogen infection site. However, it is not clear if and/or how temperature impacts systemic immunity. Here we show that pathogen-triggered systemic acquired resistance (SAR) in Arabidopsis thaliana is suppressed at elevated temperature. This was accompanied by global downregulation of SAR-induced genes at elevated temperature. Abolished SAR under warmer conditions was associated with reduced biosynthesis of the SAR metabolite N-hydroxypipecolic acid (NHP) in Arabidopsis and other plant species, as demonstrated by downregulation of NHP biosynthetic genes (ALD1 and FMO1) and NHP precursor pipecolic acid (Pip) levels. Although multiple SAR signals have been shown previously, exogenous Pip was sufficient to restore disease protection at elevated temperature, indicating that heat-mediated SAR suppression is due to Pip-NHP downregulation. Along with ALD1 and FMO1, systemic expression of the SA biosynthetic gene ICS1 was also suppressed at warm temperature. Finally, we define a transcriptional network controlling thermosensitive NHP pathway via the master transcription factors CBP60g and SARD1. Our findings demonstrate that warm temperatures impact not only local but also systemic immunity by impinging on the NHP pathway, providing a roadmap towards engineering climate-resilient plant immune systems.

Abstract The apoplast of plant leaf, the intercellular space between mesophyll cells, is normally largely filled with air with a minimal amount of water in it, which is essential for key physiological processes such as gas exchange to occur. Interestingly, phytopathogens exploit virulence factors to induce a water-rich environment, known as “water soaking”, in the apoplast of the infected leaf tissue to promote disease. We propose that plants evolved a “water soaking” pathway, which normally keeps a “minimized and balanced” water level in the leaf apoplast for plant growth but is disturbed by microbial pathogens to facilitate infection. Investigation of the “water soaking” pathway and leaf water control mechanisms is a fundamental, yet previously-overlooked, aspect of plant physiology. To identify key components in the “water soaking” pathway, we performed a genetic screen to isolate Arabidopsis severe water soaking ( sws ) mutants that show leaf water over-accumulation under high air humidity, a condition required for visible water soaking. Here we report the sws1 mutant, which displays rapid water soaking upon high humidity treatment due to a loss-of-function mutation in CURLY LEAF (CLF) , encoding a histone methyl-transferase in the POLYCOMB REPRESSIVE COMPLEX 2 (PRC2). We found that the sws1 (clf) mutant exhibits an enhanced abscisic acid (ABA) level and stomatal closure, which are indispensable for its water soaking phenotype and mediated by CLF’s direct regulation of a group of ABA-associated NAC transcription factors, NAC019/055/072 . Interestingly, the clf mutant showed a weakened immunity, which likely also contributes to the water soaking phenotype. In addition, the clf plant supports a significantly higher level of Pseudomonas syringae pathogen-induced water soaking and bacterial multiplication, in an ABA pathway and NAC019/055/072 -dependent manner. Collectively, our study probes into a fundamental question in plant biology and demonstrates CLF as a key modulator of leaf water status via epigenetic regulation of ABA pathway and stomatal movement.

The plant immune system is fundamental to plant survival in natural ecosystems and productivity in crop fields. Substantial evidence supports the prevailing notion that plants possess a two-tiered innate immune system, called pattern-triggered immunity (PTI) and effector-triggered immunity (ETI). PTI is triggered by microbial patterns via cell surface-localized pattern-recognition receptors (PRRs), whereas ETI is activated by pathogen effector proteins via mostly intracellularly-localized receptors called nucleotide-binding, leucine-rich repeat proteins (NLRs). PTI and ETI have traditionally been considered to act independently and have evolved sequentially. Here we show that, contrary to the perception of PTI and ETI being separate immune signaling pathways, Arabidopsis PRR/co-receptor mutants, fls2/efr/cerk1 and bak1/bkk1/cerk1 triple mutants, are greatly impaired in ETI responses when challenged with incompatible Pseudomonas syrinage bacteria. We further show that the NADPH oxidase (RBOHD)-mediated production of reactive oxygen species (ROS) is a critical early signaling event connecting PRR and NLR cascades and that PRR-mediated phosphorylation of RBOHD is necessary for full activation of RBOHD during ETI. Furthermore, NLR signaling rapidly augments the transcript and protein levels of key PTI components at an early stage and in a salicylic acid-independent manner. Our study supports an alternative model in which PTI is in fact an indispensable component of ETI during bacterial infection, implying that ETI halts pathogen infection, in part, by directly co-opting the anti-pathogen mechanisms proposed for PTI. This alternative model conceptually unites two major immune signaling pathways in the plant kingdom and mechanistically explains the long-observed similarities in downstream defense outputs between PTI and ETI.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Plants have evolved a complex innate immune system that deploys two interconnected receptor layers to detect the invasion of various pathogens. Cell surface-resident pattern recognition receptors (PRRs) perceive pathogen- or microbe-associated molecular patterns (PAMPs/MAMPs), initiating a basal defense response called pattern-triggered immunity (PTI) (Zhou and Zhang, 2020). Intracellular nucleotide-binding domain leucine-rich repeat-containing receptors (NLRs) directly or indirectly sense the effector proteins secreted by pathogens for overcoming PTI or making a comfortable environment, thereby activating an enhanced resistance response called effector-triggered immunity (ETI) (Zhou and Zhang, 2020). Activation of PRR and NLR requires different perception systems, whereas PTI and ETI trigger diverse overlapping downstream signal responses although with distinct amplitudes and temporal dynamics, including calcium flux, activation of mitogen-activated protein kinase cascades, reactive oxygen species (ROS) burst, transcriptional reprogramming, and phytohormones signaling (Yuan et al., 2021). Recent studies have suggested substantial crosstalk between NLR-mediated and PRR-mediated immune signaling, which potentiate each other to strengthen immune responses for a maximal output (Yuan et al., 2021). Reactive oxygen species and phosphatidic acid (PA) are important second messengers involved in plant immunity. ROS production is a conserved immune response in plants. A rapid and transient ROS burst is triggered in PTI, whereas a secondary sustained ROS production is associated with co-activation of PTI and ETI (Yuan et al., 2021). Generation of extracellular ROS in immunity is mainly mediated by reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidases that belong to the respiratory burst oxidase homolog (RBOH) family, among which the plasma membrane-localized RBOH D (RBOHD) acts as a major player (Kadota et al., 2015). Phosphorylation of RBOHD at specific residues by multiple kinases regulates extracellular ROS production (Yuan et al., 2021). PA has been shown to be an important secondary messenger regulating plant development and stress responses (Testerink and Munnik, 2011). During plant–microbe interaction, a PA burst is triggered by diverse PAMPs or effectors (Testerink and Munnik, 2011). PA can be generated from diacylglycerol (DAG) by DAG kinases (DGKs) in the phospholipase C (PLC) pathway, or from structural phospholipids by phospholipase D (PLD) enzymes, respectively (Testerink and Munnik, 2011). PA has been demonstrated to directly bind to RBOHD, thereby activating ROS production during the abscisic acid-mediated stomatal closure process (Zhang et al., 2009). Studies also revealed that PA is essential for ROS production during plant immunity (D'Ambrosio et al., 2017; Kalachova et al., 2022). However, the mechanisms of the initiation of PA burst, the regulation of PA homeostasis in immune response to diverse stimuli, and how PA regulates plant immunity, remain elusive. Recently, in two issues of Cell and Cell Host & Microbe, two independent research groups reported the mechanism by which diacylglycerol kinase 5 (DGK5)-derived PA burst regulates RBOHD-mediated ROS production in plant immune responses (Kong et al., 2024; Qi et al., 2024). In these works, the authors revealed that DGK5-derived PA stabilizes RBOHD protein to promote PAMP-induced ROS production. Additionally, they found that two PRR-associated receptor-like cytoplasmic kinases (RLCKs), Botrytis-induced kinase 1 (BIK1) and RPM1-induced protein kinase (RIPK) (also known as AvrPphB-susceptible 1-like 14 (PBL14)), phosphorylate DGK5 to activate its enzymatic activity, leading to a rapid PA burst and stimulation of plant immunity (Kong et al., 2024; Qi et al., 2024). In addition, Kong et al. (2024) found that Mitogen-Activated Protein Kinase 4 (MPK4) phosphorylates DGK5 at a distinct residue, functioning opposingly to BIK1 in maintaining PA homeostasis and fine-tuning immune outputs. Moreover, Qi et al. (2024) found that chitin elicitor receptor kinase 1 (CERK1) phosphorylates RIPK in vitro, facilitating activation of RIPK via a phosphor-relay mechanism, which promotes the generation of PA and subsequently enhances ROS production (Figure 1). Diacylglycerol kinase 5 (DGK5)-derived phosphatidic acid (PA) regulates reactive oxygen species (ROS) production in plant immunity Upon immune elicitation, BCL2 Antagonist/Killer 1 (BAK1) or chitin elicitor kinase 1 (CERK1) coreceptors phosphorylate Botrytis-induced kinase 1 (BIK1) or RPM1-induced protein kinase (RIPK), respectively. Activated BIK1 or RIPK phosphorylates DGK5 at Ser506 to activate its enzymatic activity, leading to PA production and potentiation of both pattern-triggered immunity (PTI) and effector-triggered immunity (ETI). Subsequently, DGK5-derived PA directly binds to and stabilizes respiratory burst oxidase homolog D (RBOHD) by inhibiting AvrPphB-susceptible 1-like 14/PBL13 interacting RING domain E3 ubiquitin ligase (PBL13/PIRE)-mediated vacuolar degradation, resulting in an enhancement of ROS production. Opposingly, phosphorylation of DGK5 by MPK4 at Thr446 inhibits its activity, which maintains PA homeostasis and fine-tunes immune outputs. In these works, the authors uncovered that binding of DGK5-derived PA to RBOHD protein decreases PBL13 interacting RING domain E3 ubiquitin ligase (PIRE)-mediated vacuolar degradation of RBOHD, which stabilizes RBOHD and thereby promotes ROS production in both PTI and ETI signaling. Through screening, two RLCKs, BIK1 and RIPK, were found to interact with DGK5. Kinase analysis revealed that both BIK1 and RIPK phosphorylate the same residue Ser506 within a conserved pS-x-x-L phosphorylation motif targeted by RLCKs in the C terminus of DGK5, although Ser506 is not required for the interaction of DGK5 with BIK1 or RIPK. Furthermore, Kong et al. (2024) showed that two additional RLCKs, PBL30 and PBL31, which are involved in PTI signaling activated by the PAMPs pg23 and nlp20, also phosphorylate DGK5 in vitro. Besides pg23 and nlp20 that are perceived by RLPs, diverse PAMPs and phytocytokines such as flg22, chitin, elf18, and Pep1 that are perceived by RLKs, also induce the phosphorylation of DGK5 protein. Together, the findings suggested a conserved mechanism for the PBLs-DGK5 module and Ser506 phosphorylation in regulating PA production during PTI. Of note, Kong et al. (2024) observed that the induction of AvrRpt2 or AvrRpm1 expression by dexamethasone (Dex), which can trigger RPS2- or RPM1-mediated ETI, leads to elevated phosphorylation levels of DGK5. Additionally, they found that DGK5-derived PA is necessary for the ETI-induced ROS burst and plant resistance. This implied that the phosphorylation-mediated regulation of DGK5 is conserved in ETI. However, the specific kinases mediating DGK5 phosphorylation in ETI require further investigation. Kong et al. (2024) also identified another phosphorylated site, Thr446, which is probably phosphorylated by MAPKs, using liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Further protein–protein interaction and kinase analysis confirmed that MPK4 interacts with and phosphorylates DGK5 at Thr446. Phosphorylation of DGK5 by BIK1 or MPK4 at distinct sites does not affect each other, suggesting the independence of these two phosphorylation events. Opposite to BIK1 phosphorylating DGK5 at Ser506, which promotes DGK5-derived PA production and subsequent ROS production, phosphorylation of DGK5 at Thr446 by MPK4 inhibits DGK5 activity in producing PA. The distinct phosphorylation events of DGK5 maintain PA homeostasis in plant immunity. Interestingly, DGK5 has two transcripts, DGK5α and DGK5β. Qi et al. (2024) showed that only DGK5β, but not DGK5α which lacks an extra putative C-terminal calmodulin-binding domain (CBD) domain, can restore the decreased PAMP-induced ROS burst in the dgk5 mutants. Through bimolecular fluorescence complementation and co-immunoprecipitation assays, the CBD of DGK5β was found to be required for the interaction of DGK5β with RBOHD or RIPK. Furthermore, mutation of the Ser506 residue within the CBD was found to disrupt the interaction between DGK5β and RBOHD, highlighting the significance of the CBD in the production of PAMP-activated PA. These data implied the involvement of Ca2+ signaling in regulating the production of PA and ROS, as well as the interplay with PA and ROS signaling in plant innate immunity, shedding new light on the research of plant immunity. A burst of new knowledge has been acquired over the last 5 years on the structural basis and biochemical processes underlying the activation of PRRs and NLRs and downstream signaling events (Zhou and Zhang, 2020; Yuan et al., 2021). In these two studies, Kong et al. (2024) and Qi et al. (2024) provided a comprehensive analysis of the mechanism by which PA production and homeostasis regulates and interplays with ROS signaling upon PTI and ETI elicitation. These discoveries clarified the role of DGK5-derived PA in plant immunity, which expands our understanding of the plant immune signaling network. In addition to DGK5, other enzymes synthesizing PA that are involved in plant defense response, such as PLDs, could not be ruled out to play similar roles as DGK5. Kong et al. (2024) also found that DGK5-derived PA contributes to ETI-mediated disease resistance but not hypersensitive response, while exogenous application of high concentrations of PA could stimulate cell death. Therefore, the function of PA signaling in plant immunity is still not fully understood, which requires further research to be conducted in the future. We are sincerely thankful for funding from the Taishan Scholars Program (tsqn202306306), the Key Research and Development Program of Shandong Province (2022LZGC005), China Postdoctoral Science Foundation (2023M732123), and Shandong Postdoctoral Science Foundation (SDBX2022016). The authors declare they have no conflict of interest. G.Q. and X.-F.X. conceived the manuscript. D.W., M.Y., and Y.Z. drafted the manuscript. G.Q. and X.-F.X. revised the manuscript. All authors read and approved the final manuscript.