Spontaneous degradation in hormone synthesis The phytohormone salicylic acid (SA) helps plants respond to biological and physical stresses. Rekhter et al. identified the biosynthetic pathway that produces SA in response to pathogens. A precursor, isochorismic acid, is formed in the chloroplast and then exported to the cytosol. There, enzymatically produced isochorismate-9-glutamate spontaneously decomposes to release SA plus a by-product. The results clarify key steps in the mechanisms involved in synthesizing this important regulator of plant immunity. Science , this issue p. 498

Abstract Pipecolic acid is essential for the establishment of systemic acquired resistance in plants. It is synthesized in the plastid and further processed in the cytosol to its active form N-hydroxy pipecolic acid. Here we provide strong evidence that the exporter Enhanced Disease Susceptibility 5 is required for the biosynthesis of not only salicylic acid, but also N-hydroxy pipecolic acid, suggesting that it represents a convergent point of plant immunity.

Summary Xylem sap is the major transport route for nutrients from roots to shoots. Here, we investigated how variations in nitrogen (N) nutrition affected the metabolome and proteome of xylem sap, growth of the xylem endophyte Brennaria salicis and report transcriptional re-wiring of leaf defenses in poplar ( Populus x canescens ). We supplied poplars with high, intermediate or low concentrations of ammonium or nitrate. We identified 288 unique proteins in xylem sap. About 85% of the xylem sap proteins were shared among ammonium- and nitrate-supplied plants. The number of proteins increased with increasing N supply but the major functional categories (catabolic processes, cell wall-related enzymes, defense) were unaffected. Ammonium nutrition caused higher abundances of amino acids and carbohydrates, while nitrate caused higher malate levels in xylem sap. Pipecolic acid and N -hydroxy-pipecolic acid increased whereas salicylic acid and jasmonoyl-isoleucine decreased with increasing N nutrition. Untargeted metabolome analyses revealed 2179 features in xylem sap, of which 863 were differentially affected by N treatments. We identified 122 metabolites, mainly from specialized metabolism of the groups of salicinoids, phenylpropanoids, phenolics, flavonoids, and benzoates. Their abundances increased with decreasing N. Endophyte growth was stimulated in xylem sap of high N- and suppressed in that of low N-fed plants. The drastic changes in xylem sap composition caused massive changes in the transcriptional landscape of leaves and recruited defense pathways against leaf feeding insects and biotrophic fungi, mainly under low nitrate. Our study uncovers unexpected complexity and variability of xylem composition with consequences for plant defenses. Significance statement This study reports the largest, currently available plant xylem sap proteome and metabolome databases and highlights novel discoveries of specialized metabolites and phytohormones in the xylem sap. This is the first multi-omics study linking differences in nitrogen supply with changes xylem sap composition, endophyte growth and transcriptional defenses in leaves.

ABSTRACT Triacylglycerols (TAGs) accumulate in lipid droplets (LDs) of seed tissues to provide energy and carbon for seedling establishment. In the major route of LD degradation (lipolysis), TAGs are mobilized by lipases. However, LDs may be also degraded via lipophagy, a type of selective autophagy, which mediates LDs delivery to vacuoles or lysosomes. The exact mechanism of this process in plants still remains unresolved. Here, we provide evidence that during Arabidopsis thaliana seed germination, LDs are degraded by microlipophagy and that this process requires caleosin 1 (CLO1), a LD surface protein. We show co-localization of autophagy-related protein 8b (ATG8b) and LDs during seed germination and localization of lipidated ATG8 (ATG8-PE) to the LD fraction. We further demonstrate that CLO1, CLO2 and CLO3 interact with ATG8 proteins via their ATG8-interacting motifs (AIMs). Deletion of AIM localized directly before the proline knot disrupts CLO1 interaction with ATG8b, suggesting the essential role of this region in the interaction between the two proteins. Collectively, we provide new insights into the molecular mechanisms governing the interaction of LDs with the autophagy machinery in plant cells, contributing to understanding of the role of structural LD proteins in lipid mobilization.

Ustilago maydis (U. maydis) is the causal agent of maize smut disease. During the colonization process, the fungus secretes effector proteins which suppress immune responses and redirect the host-metabolism in favor of the pathogen. Here we describe a novel strategy by which U. maydis induces plant jasmonate/ethylene (JA/ET) hormone signaling and thereby biotrophic susceptibility. The U. maydis effector Jasmonate/Ethylene signaling inducer 1 (Jsi1) possesses an ethylene-responsive element binding factor-associated amphiphilic repression (EAR) motif, DLNxxP, which interacts with the second WD40 domain of the conserved plant co-repressor family Topless/Topless related (TPL/TPR). Jsi1 interaction with TPL/TPRs leads to derepression of the ethylene response factor (ERF) branch of the JA/ET signaling pathway, supporting biotrophic susceptibility. Jsi1 likely activates the ERF branch by interfering with the binding of endogenous DLNxxP motif-containing ERF transcription factors to TPL/TPR proteins. The identification of effector proteins possessing a DLNxxP motif in different fungal species with biotrophic and hemibiotrophic lifestyles together with the validation of the interaction between such effectors from Magnaporthe oryzae (M. oryzae), Sporisorium scitamineum (S. scitamineum), and S. reilianum with TPL proteins indicates the convergent evolution of effectors for modulating the TPL/TPR co-repressor hub.

The family of Mildew resistance Locus O (MLO) proteins is best known for its profound effect on the outcome of powdery mildew infections: when the appropriate MLO protein is absent, the plant is fully resistant to otherwise virulent powdery mildew fungi. However, most members of the MLO protein family remain functionally unexplored. Here, we investigate Arabidopsis thaliana MLO3, the closest relative of AtMLO2, AtMLO6 and AtMLO12, which are the Arabidopsis MLO genes implicated in the powdery mildew interaction. The co-expression network of AtMLO3 suggests association of the gene with plant defense-related processes such as salicylic acid homeostasis. Our extensive analysis shows that mlo3 mutants are unaffected regarding their infection phenotype upon challenge with the powdery mildew fungi Golovinomyces orontii and Erysiphe pisi, the oomycete Hyaloperonospora arabidopsidis, and the bacterial pathogen Pseudomonas syringae (the latter both in terms of basal and systemic acquired resistance), indicating that the protein does not play a major role in the response to any of these pathogens. However, mlo3 genotypes display spontaneous callose deposition as well as signs of early senescence in six- or seven-week-old rosette leaves in the absence of any pathogen challenge, a phenotype that is reminiscent of mlo2 mutant plants. We hypothesize that de-regulated callose deposition in mlo3 genotypes is the result of a subtle transient aberration of salicylic acid-jasmonic acid homeostasis during development.

Abstract Ceramides and long chain bases (LCBs) are plant sphingolipids involved in the induction of plant programmed cell death (PCD). The fatty acid hydroxylase mutant fah1 fah2 exhibits high ceramide levels and moderately elevated LCB levels. Salicylic acid (SA) is strongly induced in these mutants, but no cell death is visible. To determine the effect of ceramides with different chain lengths, fah1 fah2 was crossed with ceramide synthase mutants longevity assurance gene one homologue1-3 ( loh1 , loh2 and loh3 ). Surprisingly, only triple mutants with loh2 show a cell death phenotype under the selected conditions. Sphingolipid profiling revealed that the greatest differences between the triple mutant plants are in the LCB and LCB-phosphate (LCB-P) fraction. fah1 fah2 loh2 plants accumulate LCB d18:0 and LCB-P d18:0. Crossing fah1 fah2 loh2 with the SA synthesis mutant sid2-2 , and with the SA signaling mutants enhanced disease susceptibility 1-2 ( eds1-2 ) and phytoalexin deficient 4-1 ( pad4-1 ), revealed that lesions are SA- and EDS1-dependent. These quadruple mutants also suggest that there may be a feedback loop between SA and sphingolipid metabolism as they accumulated less ceramides and LCBs. In conclusion, PCD in fah1 fah2 loh2 is a SA and EDS1-dependent phenotype, which is likely due to accumulation of LCB d18:0.

Plant cell walls constitute physical barriers that restrict access of microbial pathogens to the contents of plant cells. The primary cell wall of multicellular plants predominantly consists of cellulose, hemicellulose and pectin. In Arabidopsis, a cell wall-localised protein, BETA-XYLOSIDASE 4 (BXL4) that belongs to a seven-member BETA-XYLOSIDASE (BXL) gene family was induced upon infection with the necrotrophic fungal pathogen Botrytis cinerea and mechanical wounding in a jasmonoyl isoleucine (JA-Ile) dependent manner. Ectopic expression of the BXL4 gene in Arabidopsis seed coat epidermal cells was able to rescue a bxl1 mutant phenotype suggesting that like BXL1, BXL4, had both xylosidase and arabinosidase activity and acts in mura on cell wall polysaccharides. bxl4 mutants show a compromised resistance to B. cinerea. Upon infection, bxl4 mutants accumulated reduced levels of JA-Ile and camalexin. Conditional overexpression of BXL4 resulted in enhanced expression of PDF1.2 and PAD3 transcripts both before and after B. cinerea infection. This was associated with reduced susceptibility of the transgenic lines to B. cinerea. These data suggest that remodelling or degradation of one or more cell wall polysaccharides is important for plant immunity against B. cinerea and plays a role in pathogen-induced JA-Ile and camalexin accumulation.

The phytohormone salicylic acid (SA) is a central regulator of plant immunity. Despite such functional importance, our knowledge of its biosynthesis is incomplete. Previous work showed that SA is synthesized from chorismic acid in plastids. The bulk of pathogen-induced SA derives from isochorismate generated by the catalytic activity of ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1). How and in which cellular compartment isochorismate is converted to SA is unknown. Here we show that the pathway downstream of isochorismate requires only two additional proteins: the plastidial isochorismate exporter ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY5 (EDS5) and the cytosolic amido-transferase AvrPphB SUSCEPTIBLE3 (PBS3). PBS3 catalyzes the conjugation of glutamate to isochorismate. The reaction product isochorismate-9-glutamate spontaneously decomposes into enolpyruvyl- N -glutamate and SA. This previously unknown reaction mechanism appears to be conserved throughout the plant kingdom.One Sentence Summary Salicylic acid is synthesized via isochorismate-9-glutamate by PBS3.

Chlorophyll degradation is one of the most visible landmarks of leaf senescence. During senescence, chlorophyll is degraded in the multi-step pheophorbide a oxygenase (PAO)/phyllobilin pathway, which is tightly regulated at the transcriptional level. This regulation allows a coordinated and efficient remobilisation of nitrogen towards sink organs. Taking advantage of combined transcriptome and metabolite analyses during dark-induced senescence of Arabidopsis thaliana mutants deficient in key steps of the PAO/phyllobilin pathway, we show an unanticipated role for one of the pathway intermediates, i.e. pheophorbide a. Both jasmonic acid-related gene expression and jasmonic acid precursors specifically accumulated in pao1, deficient in PAO. We propose that pheophorbide a, the last intact porphyrin intermediate of chlorophyll degradation and unique pathway 'bottleneck', has been recruited as a signalling molecule of the chloroplast metabolic status. Our work challenges the assumption that chlorophyll breakdown is merely a senescence output, but propose that the flux of pheophorbide a through the pathway acts in a feed-forward loop that remodels the nuclear transcriptome and controls the pace of chlorophyll degradation in senescing leaves.