ABSTRACT Spatial partitioning is a propensity of biological systems orchestrating cell activities in space and time. The dynamic regulation of plasma membrane nano-environments has recently emerged as a key fundamental aspect of plant signaling, but the molecular components governing it are still mostly unclear. The receptor kinase FERONIA (FER) controls complex formation of the immune receptor kinase FLAGELLIN SENSING 2 (FLS2) with its co-receptor BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1-ASSOCIATED KINASE 1 (BAK1), and this function is inhibited by the FER ligand RAPID ALKALANIZATION FACTOR 23 (RALF23). Here, we show that FER regulates the plasma membrane nanoscale organization of FLS2 and BAK1. Our study demonstrates that akin to FER, leucine-rich repeat (LRR) extensin (LRXs) proteins contribute to RALF23 responsiveness, regulate BAK1 nanoscale organization and immune signaling. Furthermore, RALF23 perception leads to rapid modulation of FLS2 and BAK1 nanoscale organization and its inhibitory activity on immune signaling relies on FER kinase activity. Our results suggest that perception of RALF peptides by FER and LRXs actively modulates the plasma membrane nanoscale landscape to regulate cell surface signaling by other receptor kinases.

ABSTRACT Super-resolution microscopy (SRM) approaches revolutionize cell biology by providing insights into the nanoscale organization and dynamics of macromolecular assemblies and single molecules in living cells. A major hurdle limiting SRM democratization is post-acquisition data analysis which is often complex and time-consuming. Here, we present OneFlowTraX, a user-friendly and open-source software dedicated to the analysis of single-molecule localization microscopy (SMLM) approaches such as single-particle tracking photoactivated localization microscopy (sptPALM). Through an intuitive graphical user interface, OneFlowTraX provides an automated all-in-one solution for single-molecule localization, tracking, as well as mobility and clustering analyses. OneFlowTraX allows the extraction of diffusion and clustering parameters of millions of molecules in a few minutes. Finally, OneFlowTraX greatly simplifies data management following the FAIR (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable) principles. We provide a detailed step-by-step manual and guidelines to assess the quality of single-molecule analyses. Applying different fluorophores including mEos3.2, PA-GFP, and PATagRFP, we exemplarily used OneFlowTraX to analyze the dynamics of plant plasma membrane-localized proteins including an aquaporin, the brassinosteroid receptor Brassinosteroid Insensitive 1 (BRI1) and the Receptor-Like Protein 44 (RLP44).

Abstract Single-molecule imaging promises the observation of individual molecules at work in living cells 1,2 . In plants, however, the tracking of single molecules is generally limited to mere hundred milliseconds 3–5 , making it virtually impossible to observe live dynamic cellular events with molecular resolution. Here, we introduce photochromic reversion which uses the reversion of EOS fluorescent protein’s dark state upon blue light illumination 6 , thereby stabilizing the fluorescent state of single molecules and extending single-molecule tracking in single particle tracking photoactivated localization microscopy (spt-PALM) experiments. Utilizing photochromic reversion, we tracked single molecules over micrometre distances for seconds. We captured transient spatial arrest events of plasma membrane proteins indicative of the observation of dynamic cellular events under physiological conditions. Finally, we implemented an analysis pipeline leveraging machine learning-based diffusional fingerprinting to automatically detect and quantify spatial arrestment, allowing precise kinetic measurements of molecular events at the nanoscale. We envision that photochromic reversion will constitute a pivotal instrument to decipher fundamental principles underlying membrane dynamics and function in plants.

ABSTRACT Plant viruses represent a risk to agricultural production and as only few treatments exist, it is urgent to identify resistance mechanisms and factors. In plant immunity, plasma membrane (PM)-localized proteins are playing an essential role in sensing the extracellular threat presented by bacteria, fungi or herbivores. Viruses being intracellular pathogens, the role of the plant PM in detection and resistance against viruses is often overlooked. We investigated the role of the partially PM-bound Calcium-dependent protein kinase 3 (CPK3) in viral infection and we discovered that it displayed a specific ability to hamper viral propagation over CPK isoforms that are involved in immune response to extracellular pathogens. More and more evidence support that the lateral organization of PM proteins and lipids underlies signal transduction in plants. We showed here that CPK3 diffusion in the PM is reduced upon activation as well as upon viral infection and that such immobilization depended on its substrate, Remorin (REM1.2), a scaffold protein. Furthermore, we discovered that the viral infection induced a CPK3-dependent increase of REM1.2 PM diffusion. Such interdependence was also observable regarding viral propagation. This study unveils a complex relationship between a kinase and its substrate that contrasts with the commonly described co-stabilisation upon activation while it proposes a PM-based mechanism involved in decreased sensitivity to viral infection in plants.

Plant cells survey and modulate their cell wall to control their shape and anisotropic growth. Signaling mediated by the plant steroid hormones brassinosteroids (BR) plays a central role in coordinating cell wall status and cell growth, and alterations in the cell wall BR feedback loop leads to life-threatening defects in tissue and cellular integrity. How the status of the cell wall is relayed to BR signaling remains largely unclear. Increasing evidence shows that RAPID ALKALANIZATION FACTORs (RALFs), a class of secreted peptides, play structural and signaling roles at the cell surface. Here we show that perception of RALF23 promotes the formation and signaling of the main BR receptor complex formed by BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1 (BRI1) and BRI1 BRASSINOSTEROID INSENSITIVE1 BRASSINOSTEROID ASSOCIATED KINASE 1 (BAK1). The loss of the plasma membrane localized RALF receptor complex FERONIA (FER) LORELEI LIKE GPI anchor protein 1 (LLG1) leads to defects in cell expansion and anisotropy, as well as uncontrolled BRI1 BAK1 complex formation and signaling. RALF23 bioactivity relies on pectin status and its perception induces changes in pectin composition and the activity of pectin-modifying enzymes. Our observations suggest a model in which RALF23 functions as a cell wall informed signaling cue initiating a feedback loop that solicits BR signaling, modifies the cell wall, and coordinates cell morphogenesis.

Eukaryotic Δ6-desaturases are microsomal enzymes that balance the synthesis of ω-3 and ω-6 C18-polyunsaturated-fatty-acids (PUFA) accordingly to their specificity. In several microalgae, including O. tauri, plastidic C18-PUFA are specifically regulated by environmental cues suggesting an autonomous control of Δ6-desaturation of plastidic PUFA. Sequence retrieval from O. tauri desaturases, highlighted two putative Δ6/Δ8-desaturases sequences clustering apart from other characterized Δ6-desaturases with other microalgal homologs. Their overexpression in heterologous hosts, including N. benthamiana and Synechocystis, unveiled their Δ6-desaturation activity and plastid localization. O. tauri lines overexpressing these Δ6-desaturases no longer adjusted their plastidic C18-PUFA amount under phosphate starvation but didn't show any obvious physiological alterations. Detailed lipid analyses from the various overexpressing hosts, unravelled that the substrate features involved in the Δ6-desaturase specificity importantly involved the lipid head-group and likely the non-substrate acyl-chain, in addition to the preference for the ω-class of the substrate acyl-chain. The most active desaturase displayed a broad range substrate specificity for plastidic lipids and a preference for ω-3 substrates, while the other was selective for ω-6 substrates, phosphatidylglycerol and 16:4-galactolipid species specific to the native host. The distribution of plastidial Δ6-desaturase products in eukaryotic hosts suggested the occurrence of C18-PUFA export from the plastid.

Plants respond to pathogens through dynamic regulation of plasma membrane-bound signaling pathways. To date, how the plant plasma membrane is involved in responses to viruses is mostly unknown. Here, we show that plant cells sense the Potato virus X (PVX) COAT PROTEIN and TRIPLE GENE BLOCK 1 proteins and subsequently trigger the activation of a membrane-bound calcium-dependent kinase. We show that the Arabidopsis thaliana CALCIUM-DEPENDENT PROTEIN KINASE 3-interacts with group 1 REMORINs in vivo, phosphorylates the intrinsically disordered N-terminal domain of the Group 1 REMORIN REM1.3, and restricts PVX cell-to-cell movement. REM1.3's phospho-status defines its plasma membrane nanodomain organization and is crucial for REM1.3-dependent restriction of PVX cell-to-cell movement by regulation of callose deposition at plasmodesmata. This study unveils plasma membrane nanodomain-associated molecular events underlying the plant immune response to viruses.

ABSTRACT The dynamic regulation of the plasma membrane (PM) organization at the nanoscale emerged as a key element shaping the outcome of host-microbe interactions. Protein organization into nanodomains (ND) is often assumed to be linked to the activation of cellular processes. In contrast, we have previously shown that the phosphorylation of the Solanum tuberosum REM1.3 (StREM1.3) N-terminal domain disperses its native ND organization and promotes its inhibitory effect on Potato Virus X (PVX) cell-to-cell movement. Here, we show that the phosphorylation of StREM1.3 modify the chemical environment of numerous residues in its intrinsically-disordered N-terminal domain. We leveraged exploratory screens to identify potential phosphorylation-dependent interactors of StREM1.3. Herewith, we uncovered uncharacterized regulators of PVX cell-to-cell movement, linking StREM1.3 to autophagy, water channels and the actin cytoskeleton. We show that the Solanum tuberosum actin depolymerizing factors 2 (StADF2) alters StREM1.3 NDs and limits PVX cell-to-cell movement in a REMORIN-dependent manner. Mutating a conserved single residue reported to affect ADFs affinity to actin inhibits StADF2 effect on StREM1.3 ND organization and PVX cell-to-cell movement. These observations provide functional links between the organization of plant PM and the actin cytoskeleton and suggests that the alteration of StREM1.3 ND organization promotes plant anti-viral responses. We envision that analogous PM re-organization applies for additional signaling pathways in plants and in other organisms.

Summary Plant receptor kinases are key transducers of extracellular stimuli, such as the presence of beneficial or pathogenic microbes or secreted signalling molecules. Receptor kinases are regulated by numerous post-translational modifications. Here, using the immune receptor kinases FLS2 and EFR, we show that S-acylation at a cysteine conserved in all plant receptor kinases is crucial for function. S-acylation involves the addition of long-chain fatty acids to cysteine residues within proteins, altering their biophysical properties and behaviour within the membrane environment. We observe S-acylation of FLS2 at C-terminal kinase domain cysteine residues within minutes following perception of its ligand flg22, in a BAK1 co-receptor dependent manner. We demonstrate that S-acylation is essential for FLS2-mediated immune signalling and resistance to bacterial infection. Similarly, mutating the corresponding conserved cysteine residue in EFR supressed elf18 triggered signalling. Analysis of unstimulated and activated FLS2-containing complexes using microscopy, detergents and native membrane DIBMA nanodiscs indicates that S-acylation stabilises and promotes retention of activated receptor kinase complexes at the plasma membrane to increase signalling efficiency.