Seed dormancy is a trait of considerable adaptive significance because it maximizes seedling survival by preventing premature germination under unfavorable conditions. Understanding how seeds break dormancy and initiate growth is also of great agricultural and biotechnological interest. Abscisic acid (ABA) plays primary regulatory roles in the initiation and maintenance of seed dormancy. Here we report that the basic leucine zipper transcription factor ABI5 confers an enhanced response to exogenous ABA during germination, and seedling establishment, as well as subsequent vegetative growth. These responses correlate with total ABI5 levels. We show that ABI5 expression defines a narrow developmental window following germination, during which plants monitor the environmental osmotic status before initiating vegetative growth. ABI5 is necessary to maintain germinated embryos in a quiescent state thereby protecting plants from drought. As expected for a key player in ABA-triggered processes, ABI5 protein accumulation, phosphorylation, stability, and activity are highly regulated by ABA during germination and early seedling growth.

Summary The development of a germinating embryo into an autotrophic seedling is arrested under conditions of water deficit. This ABA‐mediated developmental checkpoint requires the bZIP transcription factor ABI5. Here, we used abi3‐1 , which is also unable to execute this checkpoint, to investigate the relative role of ABI3 and ABI5 in this process. In wild‐type Arabidopsis plants, ABI3 expression and activity parallel those described for ABI5 following stratification. During this process, transcript levels of late embryogenesis genes such as AtEm1 and AtEm6 are also re‐induced, which might be responsible for the acquired osmotic tolerance in germinated embryos whose growth is arrested. ABI5 expression is greatly reduced in abi3‐1 mutants, which has low AtEm1 or AtEm6 expression. Cross complementation experiments showed that 35S‐ABI5 could complement abi3‐1 , whereas 35S‐ABI3 cannot complement abi5‐4 . These results indicate that ABI5 acts downstream of ABI3 to reactivate late embryogenesis programmes and to arrest growth of germinating embryos. Although ABI5 is consistently located in the nucleus, chromosomal immunoprecipitation (ChIP) experiments revealed that ABA increases ABI5 occupancy on the AtEm6 promoter.

A large body of evidence from the past decade supports the existence of functional microdomains in membranes of animal and yeast cells, which play important roles in protein sorting, signal transduction, or infection by pathogens. They are based on the dynamic clustering of sphingolipids and cholesterol or ergosterol and are characterized by their insolubility, at low temperature, in nonionic detergents. Here we show that similar microdomains also exist in plant plasma membrane isolated from both tobacco leaves and BY2 cells. Tobacco lipid rafts were found to be greatly enriched in a sphingolipid, identified as glycosylceramide, as well as in a mixture of stigmasterol, sitosterol, 24-methylcholesterol, and cholesterol. Phospho- and glycoglycerolipids of the plasma membrane were largely excluded from lipid rafts. Membrane proteins were separated by one- and two-dimensional gel electrophoresis and identified by tandem mass spectrometry or use of specific antibody. The data clearly indicate that tobacco microdomains are able to recruit a specific set of the plasma membrane proteins and exclude others. We demonstrate the recruitment of the NADPH oxidase after elicitation by cryptogein and the presence of the small G protein NtRac5, a negative regulator of NADPH oxidase, in lipid rafts.

Abstract Plant immune responses to pathogen attack include the hypersensitive response (HR), a form of programmed cell death occurring at invasion sites. We previously reported on Arabidopsis thaliana MYB30, a transcription factor that acts as a positive regulator of a cell death pathway conditioning the HR. Here, we show by microarray analyses of Arabidopsis plants misexpressing MYB30 that the genes encoding the four enzymes forming the acyl-coA elongase complex are putative MYB30 targets. The acyl-coA elongase complex synthesizes very-long-chain fatty acids (VLCFAs), and the accumulation of extracellular VLCFA-derived metabolites (leaf epidermal wax components) was affected in MYB30 knockout mutant and overexpressing lines. In the same lines, a lipid extraction procedure allowing high recovery of sphingolipids revealed changes in VLCFA contents that were amplified in response to inoculation. Finally, the exacerbated HR phenotype of MYB30-overexpressing lines was altered by the loss of function of the acyl-ACP thioesterase FATB, which causes severe defects in the supply of fatty acids for VLCFA biosynthesis. Based on these findings, we propose a model in which MYB30 modulates HR via VLCFAs by themselves, or VLCFA derivatives, as cell death messengers in plants.

Abstract The plant plasma membrane (PM) is an essential barrier between the cell and the external environment. The PM is crucial for signal perception and transmission. It consists of an asymmetrical lipid bilayer made up of three different lipid classes: sphingolipids, sterols and phospholipids. The most abundant sphingolipids in the plant PM are the Glycosyl Inositol Phosphoryl Ceramides (GIPCs), representing up to 40% of total sphingolipids, assumed to be almost exclusively in the outer leaflet of the PM. In this study, we investigated the structure of GIPCs and their role in membrane organization. Since GIPCs are not commercially available, we developed a protocol to extract and isolate GIPC-enriched fractions from eudicots (cauliflower and tobacco) and monocots (leek and rice). Lipidomic analysis confirmed the presence of different long chain bases and fatty acids. The glycan head groups of the different GIPC series from monocots and dicots were analysed by GC-MS showing different sugar moieties. Multiple biophysics tools namely Langmuir monolayer, ζ-Potential, light scattering, neutron reflectivity, solid state 2 H-NMR and molecular modelling were used to investigate the physical properties of the GIPCs, as well as their interaction with free and conjugated phytosterols. We showed that GIPCs increase the thickness and electronegativity of model membranes, interact differentially with the phytosterols species and regulate the gel-to-fluid phase transition during temperature variations.

Abstract Remorins are a family of multigenic phosphoproteins of the plasma membrane, involved in biotic and abiotic plant interaction mechanisms, partnering in molecular signaling cascades. Signaling activity of remorins depends on their phosphorylation states and subsequent clustering into nano-sized membrane domains. The presence of a coiled-coil domain and a C-terminal domain is crucial to anchor remorins to negatively charged membrane domains, however the exact role of the N-terminal intrinsically disordered domain (IDD) on protein clustering and lipid interactions is largely unknown. Here we combine chemical biology and imaging approaches to study the partitioning of group 1 remorin into anionic model membranes mimicking the inner leaflet of the plant plasma membrane. Using reconstituted membranes containing a mix of saturated and unsaturated PhosphatidylCholine (PC), PhosphatidylInositol Phosphates (PIPs), and sterol, we investigate the clustering of remorins to the membrane and monitor the formation of nano-sized membrane domains. REM1.3 promoted membrane nanodomain organization on the exposed external leaflet of both spherical lipid vesicles and flat supported lipid bilayers. Our results reveal that REM1.3 drives a mechanism allowing lipid reorganization, leading to the formation of remorin-enriched nanodomains. Phosphorylation of the N-terminal IDD by the calcium protein kinase CPK3 influences this clustering and can lead to the formation of smaller and more disperse domains. Our work reveals the phosphate-dependent involvement of the N-terminal IDD in the remorin-membrane interaction process by driving structural rearrangements at lipid-water interfaces. Summary heading Using reconstituted membranes, we demonstrated the clustering of the plant protein remorins StREM1.3 to the lipid bilayer external leaflet and monitor the formation of nanodomains of the protein.

ABSTRACT Phosphoinositides are low-abundant lipids that participate in the acquisition of membrane identity through their spatiotemporal enrichment in specific compartments. PI4P accumulates at the plant plasma membrane driving its high electrostatic potential, and thereby facilitating interactions with polybasic regions of proteins. PI4Kα1 has been suggested to produce PI4P at the plasma membrane, but how it is recruited to this compartment is unknown. Here, we pin-point the mechanism that tethers PI4Kα1 to the plasma membrane via a nanodomain-anchored scaffolding complex. We identified that PI4Kα1 is part of a complex composed of proteins from the NO-POLLEN-GERMINATION, EFR3-OF-PLANTS, and HYCCIN-CONTAINING families. Comprehensive knock-out and knock-down strategies revealed that subunits of the PI4Kα1 complex are essential for pollen, embryonic and post-embryonic development. We further found that the PI4Kα1 complex is immobilized in plasma membrane nanodomains. Using synthetic mis-targeting strategies, we demonstrate that a combination of lipid anchoring and scaffolding localizes PI4Kα1 to the plasma membrane, which is essential for its function. Together, this work opens new perspectives on the mechanisms and function of plasma membrane nanopatterning by lipid kinases.

Abstract Bacteria-derived lipopeptides are immunogenic triggers of host defenses in metazoans and plants. Root-associated rhizobacteria produce cyclic lipopeptides that activate systemically induced resistance (IR) against microbial infection in various plants. How these molecules are perceived by plant cells remains elusive. Here, we reveal that immunity activation in Arabidopsis thaliana by the lipopeptide elicitor surfactin is mediated by docking into specific sphingolipid-enriched domains and relies on host membrane deformation and subsequent activation of mechanosensitive ion channels. This mechanism leads to host defense potentiation and resistance to the necrotroph B. cinerea but is distinct from host pattern recognition receptor-mediated immune activation and reminiscent of damage-induced plant immunity.

Abstract In Brassicaceae , hypersensitive-like (HR-like) cell death is a central component of direct defenses triggered against eggs of the large white butterfly Pieris brassicae . The signaling pathway leading to HR-like in Arabidopsis is mainly dependent on salicylic acid (SA) accumulation, but downstream components are unclear. Here, we found that treatment with P. brassicae egg extract (EE) trigger changes in expression of sphingolipid metabolism genes in Arabidopsis and Brassica nigra . Disruption of ceramide synthase activity led to a significant decrease of EE-induced HR-like whereas SA signaling and reactive oxygen species levels were unchanged, suggesting that ceramides are downstream activators of HR-like. Sphingolipid quantifications showed that ceramides with C16:0 side-chains accumulated in both species, and this response was independent on SA accumulation. Finally, we provide genetic evidence that the modification of fatty acyl chains of sphingolipids modulates HR-like. Altogether, these results show that sphingolipids play a key and specific role during insect egg-triggered HR-like.

Abstract The plant plasma membrane (PM) plays a key role in nutrition, cell homeostasis, perception of environmental signals, and set-up of appropriate adaptive responses. An exhaustive and quantitative description of the whole set of lipids and proteins constituting the PM is thus necessary to understand how the way these components, are organized and interact together, allow to fulfill such essential physiological functions. Here we provide by state-of-the-art approaches the first combined reference of the plant PM lipidome and proteome from Arabidopsis thaliana suspension cell culture. We identified a reproducible core set of 2,165 proteins (406 of which had not been shown associated to PM previously), which is by far the largest set of available data concerning the plant PM proteome. Using the same samples, we combined lipidomic approaches, allowing the identification and quantification of an unprecedented repertoire of 405 molecular species of lipids. We showed that the different classes of lipids (sterols, phospholipids, and sphingolipids) are present in similar proportions in the plant PM. Within each lipid class, the precise amount of each lipid family and the relative proportion of each molecular species were further determined, allowing us to establish the complete lipidome of Arabidopsis PM, and highlighting specific characteristics of the different molecular species of lipids (for instance fatty acyl chain length and saturation according to the polar head). Results obtained are consistent with the plant PM being an ordered mosaic of domains and point to a finely tuned adjustment of the molecular characteristics of lipids and proteins. More than a hundred proteins related to lipid metabolism, transport or signaling have been identified and put in perspective of the lipids with which they are associated. All these results provide an overall view of both the organization and the functioning of the PM.