Abstract Receptor kinases (RKs) play fundamental roles in extracellular sensing to regulate development and stress responses across kingdoms. In plants, leucine-rich repeat receptor kinases (LRR-RKs) function primarily as peptide receptors that regulate myriad aspects of plant development and response to external stimuli. Extensive phosphorylation of LRR-RK cytoplasmic domains is among the earliest detectable responses following ligand perception, and reciprocal transphosphorylation between a receptor and its co-receptor is thought to activate the receptor complex. Originally proposed based on characterization of the brassinosteroid receptor, the prevalence of complex activation via reciprocal transphosphorylation across the plant RK family has not been tested. Using the LRR-RK ELONGATION FACTOR TU RECEPTOR (EFR) as a model RK, we set out to understand the steps critical for activating RK complexes. While the EFR cytoplasmic domain is an active protein kinase in vitro and is phosphorylated in a ligand-dependent manner in vivo , catalytically deficient EFR variants are functional in anti-bacterial immunity. These results reveal a non-catalytic role for the EFR cytoplasmic domain in triggering immune signaling and indicate that reciprocal transphoshorylation is not a ubiquitous requirement for LRR-RK complex activation. Rather, our analysis of EFR along with a detailed survey of the literature suggests a distinction between LRR-RK complexes with RD- versus non-RD protein kinase domains. Based on newly identified phosphorylation sites that regulate the activation state of the EFR complex in vivo , we propose that LRR-RK complexes containing a non-RD protein kinase may be regulated by phosphorylation-dependent conformational changes of the ligand-binding receptor which could initiate signaling in a feed-forward fashion either allosterically or through driving the dissociation of negative regulators of the complex.

Abstract Transmembrane signaling by plant receptor kinases (RKs) has long been thought to involve reciprocal trans-phosphorylation of their intracellular kinase domains. The fact that many of these are pseudokinase domains, however, suggests that additional mechanisms must govern RK signaling activation. Non-catalytic (pseudo)kinase signaling mechanisms have been described in metazoans, but information is scarce for plants. Recently, a non-catalytic function was reported for the leucine-rich repeat (LRR)-RK subfamily XIIa member EFR (ELONGATION FACTOR TU RECEPTOR) and phosphorylation-dependent conformational changes were proposed to regulate signaling of RKs with non-RD kinase domains. Here, using EFR as a model, we describe a non-catalytic activation mechanism for LRR-RKs with non-RD kinase domains. EFR is an active kinase, but a kinase-dead variant retains the ability to enhance catalytic activity of its co-receptor kinase BAK1/SERK3 (BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1-ASSOCIATED KINASE 1/SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR KINASE 3). Applying hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) analysis and designing homology-based intragenic suppressor mutations, we provide evidence that the EFR kinase domain must adopt its active conformation in order to activate BAK1 allosterically, likely by supporting αC-helix positioning in BAK1. Our results suggest a conformational toggle model for signaling, in which BAK1 first phosphorylates EFR in the activation loop to stabilize its active conformation, allowing EFR in turn to allosterically activate BAK1.

Phytocytokines regulate plant immunity via cell-surface receptors. Populus trichocarpa RUST INDUCED SECRETED PEPTIDE 1 (PtRISP1) exhibits an elicitor activity in poplar, as well as a direct antimicrobial activity against rust fungi. PtRISP1 gene directly clusters with a gene encoding a leucine-rich repeat receptor protein (LRR-RP), that we termed RISP-ASSOCIATED LRR-RP (PtRALR). In this study, we used phylogenomics to characterize the RISP and RALR gene families, and functional assays to characterize RISP/RALR pairs. Both RISP and RALR gene families specifically evolved in Salicaceae species (poplar and willow), and systematically cluster in the genomes. Two divergent RISPs, PtRISP1 and Salix purpurea RISP1 (SpRISP1), induced a reactive oxygen species (ROS) burst and mitogen-activated protein kinases (MAPKs) phosphorylation in Nicotiana benthamiana leaves expressing the respective clustered RALR. PtRISP1 triggers a rapid stomatal closure in poplar, and both PtRISP1 and SpRISP1 directly inhibit rust pathogen growth. Altogether, these results suggest that plants evolved phytocytokines with direct antimicrobial activities, and that the genes coding these phytocytokines co-evolved and physically cluster with their cognate receptors.

Secreted signaling peptides are central regulators of growth, development, and stress responses, but specific steps in the evolution of these peptides and their receptors are not well understood. In addition, the molecular mechanisms of peptide- receptor binding are only known for a few examples, primarily owing to the limited availability of structural capabilities to few laboratories worldwide. Plants have evolved a multitude of secreted signaling peptides and corresponding transmembrane receptors. Stress-responsive SERINE RICH ENDOGENOUS PEPTIDES (SCOOPs) were recently identified. Bioactive SCOOPs are proteolytically processed by subtilases and are perceived by the leucine-rich repeat receptor kinase MALE DISCOVERER 1-INTERACTING RECEPTOR-LIKE KINASE 2 (MIK2) in the model plant Arabidopsis thaliana. How SCOOPs and MIK2 have (co-)evolved, and how SCOOPs bind to MIK2 are however still unknown. Using in silico analysis of 350 plant genomes and subsequent functional testing, we revealed the conservation of MIK2 as SCOOP receptor within the plant order Brassicales. We then leveraged AlphaFold-Multimer and comparative genomics to identify two conserved putative SCOOP-MIK2 binding pockets across Brassicales MIK2 homologues predicted to interact with the SxS motif of otherwise sequence-divergent SCOOPs. Notably, mutagenesis of both predicted binding pockets compromised SCOOP binding to MIK2, SCOOP-induced complex formation between MIK2 and its co-receptor BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1-ASSOCIATED KINASE 1 (BAK1), and SCOOP-induced reactive oxygen species production; thus, confirming our in silico predictions. Collectively, in addition to revealing the elusive SCOOP-MIK2 binding mechanisms, our analytic pipeline combining phylogenomics, AI-based structural predictions, and experimental biochemical and physiological validation provides a blueprint for the elucidation of peptide ligand-receptor perception mechanisms.

ABSTRACT Calcium (Ca 2+ )-dependent protein kinases (CDPKs or CPKs) are a unique family of Ca 2+ -sensor/kinase-effector proteins with diverse functions in plants. In Arabidopsis thaliana , CPK28 contributes to immune homeostasis by promoting degradation of the key immune signaling receptor-like cytoplasmic kinase BOTRYTIS-INDUCED KINASE 1 (BIK1), and additionally functions in vegetative-to-reproductive stage transition. How CPK28 controls these seemingly disparate pathways is unknown. Here, we identify a single phosphorylation site in the kinase domain of CPK28 (Ser318) that is differentially required for its function in immune homeostasis and stem elongation. We show that CPK28 undergoes intra- and inter-molecular auto-phosphorylation on Ser318 and can additionally be trans-phosphorylated on this residue by BIK1. Analysis of several other phosphorylation sites demonstrates that Ser318 phosphorylation is uniquely required to prime CPK28 for Ca 2+ activation at physiological concentrations of Ca 2+ , possibly through stabilization of the Ca 2+ -bound active state as indicated by intrinsic fluorescence experiments. Together, our data indicate that phosphorylation of Ser318 is required for the activation of CPK28 at low intracellular [Ca 2+ ] to prevent initiation of an immune response in the absence of infection. By comparison, phosphorylation of Ser318 is not required for stem-elongation, indicating pathway specific requirements for phosphorylation-based Ca 2+ -sensitivity priming. We additionally provide evidence for a conserved function for Ser318 phosphorylation in related group IV CDPKs which holds promise for biotechnological applications by generating CDPK alleles that enhance resistance to microbial pathogens without consequences to yield.

Transmembrane signaling by plant receptor kinases (RKs) has long been thought to involve reciprocal trans-phosphorylation of their intracellular kinase domains. The fact that many of these are pseudokinase domains, however, suggests that additional mechanisms must govern RK signaling activation. Non-catalytic signaling mechanisms of protein kinase domains have been described in metazoans, but information is scarce for plants. Recently, a non-catalytic function was reported for the leucine-rich repeat (LRR)-RK subfamily XIIa member EFR (elongation factor Tu receptor) and phosphorylation-dependent conformational changes were proposed to regulate signaling of RKs with non-RD kinase domains. Here, using EFR as a model, we describe a non-catalytic activation mechanism for LRR-RKs with non-RD kinase domains. EFR is an active kinase, but a kinase-dead variant retains the ability to enhance catalytic activity of its co-receptor kinase BAK1/SERK3 (brassinosteroid insensitive 1-associated kinase 1/somatic embryogenesis receptor kinase 3). Applying hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) analysis and designing homology-based intragenic suppressor mutations, we provide evidence that the EFR kinase domain must adopt its active conformation in order to activate BAK1 allosterically, likely by supporting αC-helix positioning in BAK1. Our results suggest a conformational toggle model for signaling, in which BAK1 first phosphorylates EFR in the activation loop to stabilize its active conformation, allowing EFR in turn to allosterically activate BAK1.

Abstract Phytocytokines regulate plant immunity by cooperating with cell-surface proteins. Populus trichocarpa RUST INDUCED SECRETED PEPTIDE 1 (PtRISP1) exhibits an elicitor activity in poplar, as well as a direct antimicrobial activity against rust fungi. PtRISP1 gene directly clusters with a gene encoding a leucine-rich repeat receptor protein (LRR-RP), that we termed RISP-ASSOCIATED LRR-RP (PtRALR). In this study, we used phylogenomics to characterize the RISP and RALR gene families, and molecular physiology assays to functionally characterize RISP/RALR pairs. Both RISP and RALR gene families specifically evolved in Salicaceae species (poplar and willow), and systematically cluster in the genomes. Despite a low sequence identity, Salix purpurea RISP1 (SpRISP1) shows properties and activities similar to PtRISP1. Both PtRISP1 and SpRISP1 induced a reactive oxygen species (ROS) burst and mitogen-activated protein kinases (MAPKs) phosphorylation in Nicotiana benthamiana leaves expressing the respective clustered RALR. PtRISP1 also triggers a rapid stomatal closure in poplar. Altogether, these results suggest that plants evolved phytocytokines with direct antimicrobial activities, and that the genes coding these phytocytokines co-evolved and physically cluster with genes coding LRR-RPs required to initiate immune signaling.