Abstract The signaling molecule auxin controls plant development through a well-known transcriptional mechanism that regulates many genes. However, auxin also triggers cellular responses within seconds or minutes, and mechanisms mediating such fast responses have remained elusive. Here, we identified an ultrafast auxin-mediated protein phosphorylation response in Arabidopsis roots that is largely independent of the canonical TIR1/AFB receptors. Among targets of this novel response are Myosin XI and its adaptor protein MadB2. We show that their auxin-mediated phosphorylation regulates trafficking and polar, subcellular distribution of PIN auxin transporters. This phosphorylation-based auxin signaling module is indispensable during developmental processes that rely on auxin-mediated PIN repolarization, such as termination of shoot gravitropic bending or vasculature formation and regeneration. Hence, we identified a fast, non-canonical auxin response targeting multiple cellular processes and revealed auxin-triggered phosphorylation of a myosin complex as the mechanism for feedback regulation of directional auxin transport, a central component of auxin canalization, which underlies self-organizing plant development.

Abstract Despite the growing interest in using chemical genetics in plant research, small-molecule target identification remains a major challenge. The cellular thermal shift assay coupled with high-resolution mass-spectrometry (CETSA MS) that monitors changes in the thermal stability of proteins caused by their interactions with small molecules, other proteins, or post-translational modifications allows the identification of drug targets, or the study of protein-metabolite and protein-protein interactions mainly in mammalian cells. To showcase the applicability of this method in plants, we applied CETSA MS to intact Arabidopsis thaliana cells and identified the thermal proteome of the plant-specific glycogen synthase kinase 3 (GSK3) inhibitor, bikinin. A comparison between the thermal- and the phospho-proteomes of bikinin revealed the auxin efflux carrier PIN-FORMED1 (PIN1) as a novel substrate of the Arabidopsis GSK3s that negatively regulate the brassinosteroid signaling. We established that PIN1 phosphorylation by the GSK3s is essential for maintaining its intracellular polarity that is required for auxin-mediated regulation of vascular patterning in the leaf thus, revealing a novel crosstalk between brassinosteroid and auxin signaling. Significance Statement Chemical genetics, which investigates the biological processes using small molecules, is gaining interest in plant research. However, a major challenge is to uncover the mode of action of the small molecule. Here, we applied the cellular thermal shift assay coupled with mass spectrometry (CETSA MS) to intact Arabidopsis cells and showed that bikinin, the plant-specific glycogen synthase kinase 3 (GSK3) inhibitor, changed the thermal stability of some of its direct targets and putative GSK3 interacting proteins. In combination with phosphoproteomics, we also revealed that GSK3s phosphorylate the auxin carrier PIN-FORMED1 (PIN1) and regulated its polarity that is required for the vascular patterning in the leaf.

Aeonium arboreum 'Halloween', a popular indoor ornamental succulent in China, changes its leaf colour to red on light exposure. However, the underlying molecular mechanisms is still vague. Comparative analysis of transcriptome data from 'Halloween' leaves treated under dark and light conditions revealed two R2R3-MYB transcription factors, AaMYB113 and AaMYB114, that may mediate anthocyanin accumulation. In this study, we cloned the AaMYB113 and AaMYB114 genes, encoding proteins of 279 and 248 amino acids, respectively. Transcriptional activity analysis revealed that AaMYB113 exhibits strong transcriptional activity, in contrast to AaMYB114, which demonstrates minimal activity. Transient expression studies in tobacco leaves demonstrated that AaMYB113 induced red pigmentation, whereas AaMYB114 did not. Subsequent stable overexpression in Arabidopsis thaliana confirmed that AaMYB113, but not AaMYB114, could similarly turn Arabidopsis leaves red. Further stable transformation of AaMYB113 in tobacco affected multiple floral components, including leaves, petals, calyx, flower tubes, and filaments, turning them red. Quantitative real-time PCR (qRT-PCR) assay in leaves of AaMYB113 stably transformed tobacco and Arabidopsis revealed upregulation of anthocyanin biosynthesis-related structural genes and TT8-like transcription factors. Moreover, the dual luciferase analysis confirmed that AaMYB113 can activate the promoters of 'Halloween' anthocyanin synthesis structural genes, AaCHS, AaCHI, AaF3H, AaDFR and AaANS. The above results indicate that AaMYB113 can promote anthocyanin synthesis, while AaMYB114 does not have this function. This study contributes significantly to the limited body of research on the molecular mechanisms of anthocyanin synthesis in succulents, advancing our understanding of how these pathways are regulated in 'Halloween' succulents and potentially other species.