SUMMARY Endoplasmic Reticulum-Plasma Membrane contact sites (ER-PM CS) play fundamental roles in all eukaryotic cells. Arabidopsis mutants lacking the ER-PM protein tether synaptotagmin1 (SYT1) exhibit decreased plasma membrane (PM) integrity under multiple abiotic stresses such as freezing, high salt, osmotic stress and mechanical damage. Here, we show that, together with SYT1 , the stress-induced SYT3 is an ER-PM tether that also functions in maintaining PM integrity. The ER-PM CS localization of SYT1 and SYT3 is dependent on PM phosphatidylinositol-4-phosphate and is regulated by abiotic stress. Lipidomic analysis revealed that cold stress increased the accumulation of diacylglycerol at the PM in a syt1/3 double mutant relative to WT while the levels of most glycerolipid species remain unchanged. Additionally, SYT1-GFP preferentially binds diacylglycerol in vivo with little affinity for polar glycerolipids. Our work uncovers a crucial SYT-dependent mechanism of stress adaptation counteracting the detrimental accumulation of diacylglycerol at the PM produced during episodes of abiotic stress.

ABSTRACT Endoplasmic Reticulum-Plasma Membrane contact sites (ER-PM CS) are evolutionarily conserved membrane domains found in all eukaryotes, where the endoplasmic reticulum (ER) closely interfaces with the plasma membrane (PM). This short distance, typically 10-30 nm, is achieved in Arabidopsis through the action of tether proteins such as Synaptotagmins (SYTs). Arabidopsis comprises five SYT members ( SYT1-SYT5 ), but whether they possess overlapping or distinct biological functions remains elusive. SYT1 is the best-characterized gene member and plays an essential role in the resistance to abiotic stress. This study reveals that while the functionally redundant SYT1 and SYT3 genes are involved in salt and cold stress resistance, SYT5 is associated with Pseudomonas syringae resistance despite evidence of in vivo interaction between SYT1 and SYT5. Structural phylogenetic analysis indicates that SYT1 and SYT5 clades emerged early in the evolution of land plants. These protein clades exhibit different structural features, rationalizing their distinct biological roles.

ABSTRACT A universal response of plants to environmental stresses is the activation of plasma membrane (PM) phospholipase C (PLC) that hydrolyzes phosphatidylinositol phosphate (PIP) to produce soluble inositol phosphate (IP) and diacylglycerol (DAG). DAG produced in this way can be either phosphorylated by PM diacylglycerol kinases (DGKs) to produce the second messenger phosphatidic acid (PA) or transferred to the endoplasmic reticulum (ER) by the Synaptotagmin 1 (SYT1) protein at ER-PM Contact Sites (CS). In Arabidopsis, the clearance of DAG at the PM (avoiding deleterious accumulation) by the transfer activity of SYT is essential to maintain PM stability after stress. In this study we identify that DGK1 and DGK2 form a module with SYT1 at ER-PM CS through interaction of their C1 and C2 domains respectively. Global transcriptomic and metabolomic analyses confirms that SYT1 and DGK1 / DGK2 are functionally related and lipidomic analysis supports the hypothesis that DGK1 and DGK2 function at the ER by phosphorylating DAG transferred by SYT1 from the PM. DGK1 and DGK2 show structural similarity to human DGKε, the DGK isoform that function at ER-PM CS in the phosphoinositide (PI) cycle. Our data indicate that components of the PI cycle are conserved between animals and plants and provide a novel mechanism leading to an increase in the efficiency of the PI cycle by channeling the transport and hydrolysis of DAG at the ER-PM CS.