Nucleotide-binding, leucine-rich repeat receptors (NLRs) are major immune receptors in plants and animals. Upon activation, the Arabidopsis NLR protein ZAR1 forms a pentameric resistosome in vitro and triggers immune responses and cell death in plants. In this study, we employed single-molecule imaging to show that the activated ZAR1 protein can form pentameric complexes in the plasma membrane. The ZAR1 resistosome displayed ion channel activity in Xenopus oocytes in a manner dependent on a conserved acidic residue Glu11 situated in the channel pore. Pre-assembled ZAR1 resistosome was readily incorporated into planar lipid-bilayers and displayed calcium-permeable cation-selective channel activity. Furthermore, we show that activation of ZAR1 in the plant cell led to Glu11-dependent Ca2+ influx, perturbation of subcellular structures, production of reactive oxygen species, and cell death. The results thus support that the ZAR1 resistosome acts as a calcium-permeable cation channel to trigger immunity and cell death.

SUMMARY The plant hormone auxin and its directional transport across tissues mediate much of the remarkably adaptive and plastic development of higher plants. Positive feedback between auxin signalling and transport is a key prerequisite for self-organizing development including flexible vascular tissue formation and directional growth responses, such as gravitropism. Here we identified a mechanistic link between cell surface ABP1-based auxin perception, the associated TMK1 kinase and PIN auxin transporters. abp1 and tmk1 mutants are defective in auxin-triggered phosphorylation of PIN proteins and in PIN-mediated directional auxin transport. Auxin, via ABP1, induces activation and stabilization of TMK1, thus promoting direct interaction with and phosphorylation of PIN2. Following gravistimulation, the auxin-activated TMK1 acts along the lower root side to reinforce asymmetry in PIN2-mediated auxin fluxes for gravitropic root bending. This ABP1-TMK1-dependent positive feedback on PIN-mediated directional auxin transport is fundamental for robust root gravitropism and presumably also for other self-organizing developmental processes.

Abstract Auxin is the major plant hormone regulating growth and development (Friml, 2022). Forward genetic approaches in the model plant Arabidopsis thaliana have identified major components of auxin signalling and established the canonical mechanism mediating transcriptional and thus developmental reprogramming. In this textbook view, TRANSPORT INHIBITOR RESPONSE 1 (TIR1)/AUXIN-SIGNALING F-BOX (AFBs) are auxin receptors, which act as F-box subunits determining the substrate specificity of the Skp1-Cullin1-F box protein (SCF) type E3 ubiquitin ligase complex. Auxin acts as a “molecular glue” increasing the affinity between TIR1/AFBs and the Aux/IAA repressors. Subsequently, Aux/IAAs are ubiquitinated and degraded, thus releasing auxin transcription factors from their repression making them free to mediate transcription of auxin response genes (Yu et al ., 2022). Nonetheless, accumulating evidence suggests existence of rapid, non-transcriptional responses downstream of TIR1/AFBs such as auxin-induced cytosolic calcium (Ca 2+ ) transients, plasma membrane depolarization and apoplast alkalinisation, all converging on the process of root growth inhibition and root gravitropism (Li et al ., 2022). Particularly, these rapid responses are mostly contributed by predominantly cytosolic AFB1, while the long-term growth responses are mediated by mainly nuclear TIR1 and AFB2-AFB5 (Li et al ., 2021; Prigge et al ., 2020; Serre et al ., 2021). How AFB1 conducts auxin-triggered rapid responses and how it is different from TIR1 and AFB2-AFB5 remains elusive. Here, we compare the roles of TIR1 and AFB1 in transcriptional and rapid responses by modulating their subcellular localization in Arabidopsis and by testing their ability to mediate transcriptional responses when part of the minimal auxin circuit reconstituted in yeast. Short summary Auxin receptors TIR1 and AFB1 have distinct functions in mediating transcriptional and non-transcriptional responses, respectively. Manipulation of their subcellular localizations revealed that these functional differences cannot be attributed to nuclear versus cytosolic enrichment of TIR1 and AFB1 but to different, specific properties of these proteins, not least to their ability to associate with ubiquitin ligase components.

Summary The plant hormone auxin and its directional transport are crucial for growth and development. PIN auxin transporters, on account of their polarized distribution, are instrumental in guiding auxin flow across tissues. Based on protein length and subcellular localization, the PIN family is classified into two groups: plasma membrane (PM)-localized long PINs and endoplasmic reticulum (ER)-localized short PINs. The origin of PIN s was traced to the alga Klebsormidium , with a single PM-localized long KfPIN. Bryophytes, the earliest land plant clade, represent the initial clade harboring the short PINs. We tracked the evolutionary trajectory of the short PIN s and explored their function and localization in the model bryophyte Marchantia polymorpha , which carries four short and one long PIN. Our findings reveal that all short MpPINs can export auxin, and they are all PM-localized with MpPINX and MpPINW exhibiting asymmetric distribution. We identified a unique miniW domain within the MpPINW hydrophilic loop region, which is sufficient for its PM localization. Phosphorylation site mutations within the miniW domain abolish the PM localization. These findings not only identify the essential sequence determinant of PINs’ PM localization but also provide a unique insight into the evolution of ER-localized PINs. Short MpPINW, which is evolutionarily positioned between the ancestral long PINs and contemporary short PINs, still preserves the critical region essential for its PM localization. We propose that throughout land plant evolution, the unique miniW domain has been gradually lost thus converting the PM-localized short PINs in bryophytes to ER-localized short PINs in angiosperms. IMPORTANT Manuscripts submitted to Review Commons are peer reviewed in a journal-agnostic way. Upon transfer of the peer reviewed preprint to a journal, the referee reports will be available in full to the handling editor. The identity of the referees will NOT be communicated to the authors unless the reviewers choose to sign their report. The identity of the referee will be confidentially disclosed to any affiliate journals to which the manuscript is transferred. GUIDELINES For reviewers: https://www.reviewcommons.org/reviewers For authors: https://www.reviewcommons.org/authors CONTACT The Review Commons office can be contacted directly at: office@reviewcommons.org