Plants contain various steroids and sterols with structures similar to those of steroid hormones in animals, and after painstaking research the brassinosteroids have become generally accepted as essential plant hormones. A key part of the pathway is the recognition of brassinosteroids by the BRI1 receptor and its co-receptor BAK1. But the news that BAK1 has an entirely unexpected, different function could complicate matters. BAK1 has been found to specifically associate with the innate immunity receptor FLS2 when this receptor is stimulated by its known ligand, flagellin. The innate immunity response is much weakened in Arabidopsis mutated in the bak1 gene. BAK1 therefore appears to have a dual role in development and innate immunity — as is the case for the well-known TOLL receptor in Drosophila. BAK1, a plant leucine-rich repeat receptor-like kinase, is involved in plant hormone signalling. This protein is now ascribed another function, it is involved in bacterial flagellin-triggered defence responses. Plants sense potential microbial invaders by using pattern-recognition receptors to recognize pathogen-associated molecular patterns (PAMPs)1. In Arabidopsis thaliana, the leucine-rich repeat receptor kinases flagellin-sensitive 2 (FLS2) (ref. 2) and elongation factor Tu receptor (EFR) (ref. 3) act as pattern-recognition receptors for the bacterial PAMPs flagellin4 and elongation factor Tu (EF-Tu) (ref. 5) and contribute to resistance against bacterial pathogens. Little is known about the molecular mechanisms that link receptor activation to intracellular signal transduction. Here we show that BAK1 (BRI1-associated receptor kinase 1), a leucine-rich repeat receptor-like kinase that has been reported to regulate the brassinosteroid receptor BRI1 (refs 6,7), is involved in signalling by FLS2 and EFR. Plants carrying bak1 mutations show normal flagellin binding but abnormal early and late flagellin-triggered responses, indicating that BAK1 acts as a positive regulator in signalling. The bak1-mutant plants also show a reduction in early, but not late, EF-Tu-triggered responses. The decrease in responses to PAMPs is not due to reduced sensitivity to brassinosteroids. We provide evidence that FLS2 and BAK1 form a complex in vivo, in a specific ligand-dependent manner, within the first minutes of stimulation with flagellin. Thus, BAK1 is not only associated with developmental regulation through the plant hormone receptor BRI1 (refs 6,7), but also has a functional role in PRR-dependent signalling, which initiates innate immunity.

Innate immunity is based on the recognition of pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). Here, we show that elongation factor Tu (EF-Tu), the most abundant bacterial protein, acts as a PAMP in Arabidopsis thaliana and other Brassicaceae. EF-Tu is highly conserved in all bacteria and is known to be N-acetylated in Escherichia coli. Arabidopsis plants specifically recognize the N terminus of the protein, and an N-acetylated peptide comprising the first 18 amino acids, termed elf18, is fully active as inducer of defense responses. The shorter peptide, elf12, comprising the acetyl group and the first 12 N-terminal amino acids, is inactive as elicitor but acts as a specific antagonist for EF-Tu-related elicitors. In leaves of Arabidopsis plants, elf18 induces an oxidative burst and biosynthesis of ethylene, and it triggers resistance to subsequent infection with pathogenic bacteria.

The rapid production of reactive oxygen species (ROS) burst is a conserved signaling output in immunity across kingdoms. In plants, perception of pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) by surface-localized pattern recognition receptors (PRRs) activates the NADPH oxidase RBOHD by hitherto unknown mechanisms. Here, we show that RBOHD exists in complex with the receptor kinases EFR and FLS2, which are the PRRs for bacterial EF-Tu and flagellin, respectively. The plasma-membrane-associated kinase BIK1, which is a direct substrate of the PRR complex, directly interacts with and phosphorylates RBOHD upon PAMP perception. BIK1 phosphorylates different residues than calcium-dependent protein kinases, and both PAMP-induced BIK1 activation and BIK1-mediated phosphorylation of RBOHD are calcium independent. Importantly, phosphorylation of these residues is critical for the PAMP-induced ROS burst and antibacterial immunity. Our study reveals a rapid regulatory mechanism of a plant RBOH, which occurs in parallel with and is essential for its paradigmatic calcium-based regulation.

First Defense In defense against bacterial infection, plants carry a cell-surface receptor, known as FLS2, that can bind to a fragment of bacterial flagellin and trigger defense responses. Y. Sun et al. (p. 624 , published online 10 October) investigated the structural details that govern the binding between FLS2, its co-receptor BAK1, and the flagellin fragment flg22. The assembled complex initiates signals to activate the plant's innate immune response.

Abstract Recognition of pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) by surface-localized pattern recognition receptors (PRRs) constitutes an important layer of innate immunity in plants. The leucine-rich repeat (LRR) receptor kinases EF-TU RECEPTOR (EFR) and FLAGELLIN SENSING2 (FLS2) are the PRRs for the peptide PAMPs elf18 and flg22, which are derived from bacterial EF-Tu and flagellin, respectively. Using coimmunoprecipitation and mass spectrometry analyses, we demonstrated that EFR and FLS2 undergo ligand-induced heteromerization in planta with several LRR receptor-like kinases that belong to the SOMATIC-EMBRYOGENESIS RECEPTOR-LIKE KINASE (SERK) family, including BRASSINOSTEROID INSENSITIVE1-ASSOCIATED KINASE1/SERK3 (BAK1/SERK3) and BAK1-LIKE1/SERK4 (BKK1/SERK4). Using a novel bak1 allele that does not exhibit pleiotropic defects in brassinosteroid and cell death responses, we determined that BAK1 and BKK1 cooperate genetically to achieve full signaling capability in response to elf18 and flg22 and to the damage-associated molecular pattern AtPep1. Furthermore, we demonstrated that BAK1 and BKK1 contribute to disease resistance against the hemibiotrophic bacterium Pseudomonas syringae and the obligate biotrophic oomycete Hyaloperonospora arabidopsidis. Our work reveals that the establishment of PAMP-triggered immunity (PTI) relies on the rapid ligand-induced recruitment of multiple SERKs within PRR complexes and provides insight into the early PTI signaling events underlying this important layer of plant innate immunity.

Abstract Animals and plants carry recognition systems to sense bacterial flagellin. Flagellin perception in Arabidopsis involves FLS2, a Leu-rich-repeat receptor kinase. We surveyed the early transcriptional response of Arabidopsis cell cultures and seedlings within 60 min of treatment with flg22, a peptide corresponding to the most conserved domain of flagellin. Using Affymetrix microarrays, approximately 3.0% of 8,200 genes displayed transcript level changes in flg22 elicited suspension cultures and seedlings. FLARE (Flagellin Rapidly Elicited) genes mostly encode signaling components, such as transcription factors, protein kinases/phosphatases, and proteins that regulate protein turnover. Approximately 80% of flg22-induced genes were also up-regulated in Arabidopsis seedlings treated with cycloheximide. This suggests that many FLARE genes are negatively regulated by rapidly turned-over repressor proteins. Twenty-one tobacco Avr9/Cf-9 rapidly elicited (ACRE) cDNA full-length sequences were used to search for their Arabidopsis orthologs (AtACRE). We identified either single or multiple putative orthologs for 17 ACRE genes. For 13 of these ACRE genes, at least one Arabidopsis ortholog was induced in flg22-elicited Arabidopsis suspension cells and seedlings. This result revealed a substantial overlap between the Arabidopsis flg22 response and the tobacco Avr9 race-specific defense response. We also compared FLARE gene sets and genes induced in basal or gene-for-gene interactions upon different Pseudomonas syringae treatments, and infer that Pseudomonas syringae pv tomato represses the flagellin-initiated defense response.

Small peptides allow rapid responses RALFs (rapid alkalinization factors), a family of small peptides in plants, are produced in response to rapidly changing conditions. Stegmann et al. studied the agility and diversity built into this signaling network. Some RALFs, such as RALF23 and its relative RALF33, are activated by proteolytic cleavage. Others, such as RALF32, are not. RALF23 and RALF33 are called into play after a pathogen triggers immune responses. RALF32, on the other hand, regulates seedling growth. All three of these RALFs use the same receptor kinase, which can interact with other signaling components. Thus, plant responses can be fine-tuned by rapid release of peptides. Science , this issue p. 287

Plants rely heavily on receptor-like kinases (RLKs) for perception and integration of external and internal stimuli. The Arabidopsis regulatory leucine-rich repeat RLK (LRR-RLK) BAK1 is involved in steroid hormone responses, innate immunity, and cell death control. Here, we describe the differential regulation of three different BAK1-dependent signaling pathways by a novel allele of BAK1, bak1-5. Innate immune signaling mediated by the BAK1-dependent RKs FLS2 and EFR is severely compromised in bak1-5 mutant plants. However, bak1-5 mutants are not impaired in BR signaling or cell death control. We also show that, in contrast to the RD kinase BRI1, the non-RD kinases FLS2 and EFR have very low kinase activity, and we show that neither was able to trans-phosphorylate BAK1 in vitro. Furthermore, kinase activity for all partners is completely dispensable for the ligand-induced heteromerization of FLS2 or EFR with BAK1 in planta, revealing another pathway specific mechanistic difference. The specific suppression of FLS2- and EFR-dependent signaling in bak1-5 is not due to a differential interaction of BAK1-5 with the respective ligand-binding RK but requires BAK1-5 kinase activity. Overall our results demonstrate a phosphorylation-dependent differential control of plant growth, innate immunity, and cell death by the regulatory RLK BAK1, which may reveal key differences in the molecular mechanisms underlying the regulation of ligand-binding RD and non-RD RKs.