The aromatic amino acids phenylalanine, tyrosine and tryptophan in plants are not only essential components of protein synthesis, but also serve as precursors for a wide range of secondary metabolites that are important for plant growth as well as for human nutrition and health. The aromatic amino acids are synthesized via the shikimate pathway followed by the branched aromatic amino acid metabolic pathway, with chorismate serving as a major branch point intermediate metabolite. Yet, the regulation of their synthesis is still far from being understood. So far, only three enzymes in this pathway, namely, chorismate mutase of phenylalanine and tyrosine synthesis, tryptophan synthase of tryptophan biosynthesis and arogenate dehydratase of phenylalanine biosynthesis, proved experimentally to be allosterically regulated. The major biosynthesis route of phenylalanine in plants occurs via arogenate. Yet, recent studies suggest that an alternative route of phynylalanine biosynthesis via phenylpyruvate may also exist in plants, similarly to many microorganisms. Several transcription factors regulating the expression of genes encoding enzymes of both the shikimate pathway and aromatic amino acid metabolism have also been recently identified in Arabidopsis and other plant species.

Plants in nature, which are continuously challenged by diverse insect herbivores, produce constitutive and inducible defenses to reduce insect damage and preserve their own fitness. In addition to inducing pathways that are directly responsible for the production of toxic and deterrent compounds, insect herbivory causes numerous changes in plant primary metabolism. Whereas the functions of defensive metabolites such as alkaloids, terpenes, and glucosinolates have been studied extensively, the fitness benefits of changes in photosynthesis, carbon transport, and nitrogen allocation remain less well understood. Adding to the complexity of the observed responses, the feeding habits of different insect herbivores can significantly influence the induced changes in plant primary metabolism. In this review, we summarize experimental data addressing the significance of insect feeding habits, as related to herbivore-induced changes in plant primary metabolism. Where possible, we link these physiological changes with current understanding of their underlying molecular mechanisms. Finally, we discuss the potential fitness benefits that host plants receive from altering their primary metabolism in response to insect herbivory.

Plants produce diverse specialized metabolites (SMs), but the genes responsible for their production and regulation remain largely unknown, hindering efforts to tap plant pharmacopeia. Given that genes comprising SM pathways exhibit environmentally dependent coregulation, we hypothesized that genes within a SM pathway would form tight associations (modules) with each other in coexpression networks, facilitating their identification. To evaluate this hypothesis, we used 10 global coexpression data sets, each a meta-analysis of hundreds to thousands of experiments, across eight plant species to identify hundreds of coexpressed gene modules per data set. In support of our hypothesis, 15.3 to 52.6% of modules contained two or more known SM biosynthetic genes, and module genes were enriched in SM functions. Moreover, modules recovered many experimentally validated SM pathways, including all six known to form biosynthetic gene clusters (BGCs). In contrast, bioinformatically predicted BGCs (i.e., those lacking an associated metabolite) were no more coexpressed than the null distribution for neighboring genes. These results suggest that most predicted plant BGCs are not genuine SM pathways and argue that BGCs are not a hallmark of plant specialized metabolism. We submit that global gene coexpression is a rich, largely untapped resource for discovering the genetic basis and architecture of plant natural products.

Abstract Autophagy, an intracellular process that facilitates the degradation of cytoplasmic materials, plays a dominant role in plant fitness and immunity. While autophagy was shown to be involved in plant response to fungi, bacteria, and viruses, its role in response to insect herbivory is as yet unknown. In this study, we demonstrate a role of autophagy in plant defense against herbivory using Arabidopsis thaliana and the green peach aphid, Myzus persicae . Following six hours of aphid infestation of wildtype plants, we observed high expression of the autophagy-related genes ATG8a and ATG8f , as well as NBR1 ( Next to BRCA1 gene 1 ), a selective autophagy receptor. Moreover, the number of autophagosomes detected by the overexpression of GFP-fused ATG8f in Arabidopsis increased upon aphid infestation. Following this, atg5.1 and atg7.2 mutants were used to study the effect of autophagy on aphid reproduction and feeding behavior. While aphid reproduction on both mutants was lower than on wildtype, feeding behavior was only affected by atg7.2 mutants. Moreover, upon aphid feeding, the Phytoalexin-deficient 4 ( PAD4 ) defense gene was upregulated in wildtype plants but not affected in the mutants. By contrast, the hydrogen peroxide content was much higher in the mutants relative to wildtype, which might have disturbed aphid reproduction and interfered with their feeding. Additionally, an analysis of the phloem sap metabolite profile revealed that atg7.2 mutant plants have lower levels of amino acids and sugars. These findings, together with the high hydrogen peroxide levels, suggest that aphids might exploit the plant autophagy mechanism for their survival.

Abstract RNA interference (RNAi)-based technologies are starting to be commercialized as a new approach for agricultural pest control. Horizontally transferred genes (HTGs), which have been transferred into insect genomes from viruses, bacteria, fungi, or plants, are attractive targets for RNAi-mediated pest control. HTGs are often unique to a specific insect family or even genus, making it unlikely that RNAi constructs targeting such genes will have negative effects on ladybugs, lacewings, and other beneficial predatory insect species. In this study, we sequenced the genome of a red, tobacco-adapted isolate of Myzus persicae (green peach aphid) and bioinformaticaly identified 30 HTGs. We then used plant-mediated virus-induced gene silencing (VIGS) to show that several HTGs of bacterial and plant origin are important for aphid growth and/or survival. Silencing the expression of fungal HTGs did not affect aphid survivorship, but decreased aphid reproduction. Importantly, although there was uptake of plant-expressed RNA by Coccinella septempunctata (seven-spotted ladybugs) via the aphids that they consumed, we did not observe negative effects on ladybugs from aphid-targeted VIGS constructs. In other experiments, we targeted five Bemisia tabaci (whitefly) HTGs using VIGS and demonstrated that knockdown of some of these genes affected whitefly survival. As functional HTGs have been identified in the genomes of numerous pest species, we propose that these HTGs should be explored further as efficient and safe targets for control of insect pests using plant-mediated RNA interference.

Abstract Diurnal rhythms influence insect behavior and physiology, driving adaptive responses and synchronizing internal processes with daily light-dark cycles. Aphids are important agricultural pests that feed from phloem sieve elements for prolonged periods by delivering a diverse array of salivary effectors to modulate plant responses. Here, we show that the bird cherry-oat aphid ( Rhopalosiphum padi ), an important pest of cereals worldwide, expresses different putative salivary effectors at different times of the day, which may, in part, aid with wheat ( Triticum aestivum ) host colonization. We recorded aphid feeding with the electrical penetration graph (EPG) technique, which revealed diurnal patterns in aphid feeding, particularly extended phloem salivation occurring during early nighttime. Although no diurnal rhythms were detected for phloem sap ingestion, higher honeydew excretion was observed at night. Temporal aphid transcriptome profiles revealed 4,460 diurnally rhythmic transcripts, categorized into four distinct expression clusters linked to various metabolic pathways. Significantly, we identified distinct combinations of putative salivary effectors expressed at different times. Notably, 43% peaked in expression during early nighttime, aligning with the heightened nighttime salivation observed in the aphids using the EPG technique. Silencing key effector genes, which peak in expression at night, impaired aphid feeding and performance on wheat plants without impacting aphid performance on diets. Our study highlights aphid feeding behavior and performance as tightly linked to and influenced by the diurnal expression of salivary effectors and provides the first insights into diurnal feeding behaviors in aphids, revealing opportunities for targeted pest control strategies based on disrupting these rhythms. Significance Statement Aphids are among the most destructive pests on crops, threatening food security worldwide. While diurnal rhythms in crops and their aphid pests have been briefly explored, our understanding of how these rhythms ultimately shape the plant-aphid relationship is unknown. Here, we report for the first time that aphids exhibit diurnal rhythms in feeding behaviors, salivary effector expression, and metabolism. A broadened understanding of the presence and role of diurnal rhythms in aphids offers new insights into how behavioral and molecular factors influence the plant-aphid relationship. This temporal insight into aphid biology has the potential to aid in the development of targeted pest management strategies that disrupt an aphid’s interaction with its host, thereby minimizing crop damage and yield loss.

Insects such as beet armyworm caterpillars (Spodoptera exigua) cause extensive damage to maize (Zea mays) by consuming foliar tissue. Maize plants respond to such insect attack by triggering defense mechanisms that involve large changes in gene expression and the biosynthesis of specialized metabolites and defense signaling molecules. To investigate dynamic maize responses to herbivore feeding, leaves of maize inbred line B73 were infested with S. exigua caterpillars for 1 to 24 hours, followed by comprehensive transcriptomic and metabolomic characterization. Our results show that the most significant gene expression responses of maize to S. exigua feeding occur at early time points, within 4 to 6 hours after caterpillar infestation. However, both gene expression and metabolite profiles continued changing during the entire 24-hour experiment while photosynthesis genes were gradually decreased. The primary and specilaze metabolism shift maught be temporal and dynamic processes in the infested leaf tissue. We analyzed the effects of mutating genes in two major defense-related pathways, benzoxazinoids (Bx1 and Bx2) and jasmonic acid (Lox8), using Dissociation (Ds) transposon insertions in maize inbred line W22. Together, these results show that maize leaves shift to implementation of chemical defenses within one hour after the initiation of caterpillar attack. Thus, the induced biosynthesis of specialized metabolites can have major effects in maize-caterpillar interactions.

Plants produce a tremendous diversity of specialized metabolites (SMs) to interact with and manage their environment. A major challenge hindering efforts to tap this seemingly boundless source of pharmacopeia is the identification of SM pathways and their constituent genes. Given the well-established observation that the genes comprising a SM pathway are co-regulated in response to specific environmental conditions, we hypothesized that genes from a given SM pathway would form tight associations (modules) with each other in gene co-expression networks, facilitating their identification. To evaluate this hypothesis, we used 10 global co-expression datasets - each a meta-analysis of hundreds to thousands of expression experiments - across eight plant model organisms to identify hundreds of modules of co-expressed genes for each species. In support of our hypothesis, 15.3-52.6% of modules contained two or more known SM biosynthetic genes (e.g., cytochrome P450s, terpene synthases, and chalcone synthases), and module genes were enriched in SM functions (e.g., glucoside and flavonoid biosynthesis). Moreover, modules recovered many experimentally validated SM pathways in these plants, including all six known to form biosynthetic gene clusters (BGCs). In contrast, genes predicted based on physical proximity on a chromosome to form plant BGCs were no more co-expressed than the null distribution for neighboring genes. These results not only suggest that most predicted plant BGCs do not represent genuine SM pathways but also argue that BGCs are unlikely to be a hallmark of plant specialized metabolism. We submit that global gene co-expression is a rich, but largely untapped, data source for discovering the genetic basis and architecture of plant natural products, which can be applied even without knowledge of the genome sequence.

Wheat is a staple crop and one of the most widely consumed grains globally. Wheat yields can experience significant losses due to the damaging effects of herbivore infestation. However, little is known about the effect aphids have on the natural diurnal rhythms in plants. Our time-series transcriptomics and metabolomics study reveal intriguing molecular changes occurring in plant diurnal rhythmicity upon aphid infestation. Under control conditions, 15,366 out of the 66,559 genes in the tetraploid wheat cultivar Svevo, representing approximately 25% of the transcriptome, exhibited diurnal rhythmicity. Upon aphid infestation, 5,682 genes lost their rhythmicity, while additional 5,203 genes began to exhibit diurnal rhythmicity. The aphid-induced rhythmic genes were enriched in GO terms associated with plant defense, such as protein phosphorylation and cellular response to ABA and were enriched with motifs of the WRKY transcription factor families. Conversely, the genes that lost rhythmicity due to aphid infestation were enriched with motifs of the TCP and ERF transcription factor families. While the core circadian clock genes maintain their rhythmicity during infestation, we observed that approximately 60% of rhythmic genes experience disruptions in their rhythms during aphid infestation. These changes can influence both the plant's growth and development processes as well as defense responses. Furthermore, analysis of rhythmic metabolite composition revealed that several monoterpenoids gained rhythmic activity under infestation, while saccharides retained their rhythmic patterns. Our findings highlight the ability of insect infestation to disrupt the natural diurnal cycles in plants, expanding our knowledge of the complex interactions between plants and insects.

Setaria viridis (green foxtail millet), a short life-cycle C4 plant in the Gramineae, serves as a resilient crop that provides good yield even in dry and marginal land. Although S. viridis has been studied extensively in the last decade, its defense responses, in particular the chemical defensive metabolites that protect it against insect herbivory, are unstudied. To characterize S. viridis defense responses, we conducted transcriptomic and metabolomic assays of plants infested with aphids and caterpillars. Pathway enrichment analysis indicated massive transcriptomic changes that involve genes from amino acid biosynthesis and degradation, secondary metabolites and phytohormone biosynthesis. The Trp-derived metabolite serotonin was notably induced by insect feeding. Through comparisons with known rice serotonin biosynthetic genes, we identified several predicted S. viridis Trp decarboxylases and cytochrome P450 genes that were up-regulated in response to insect feeding. The function of one Trp decarboxylase was validated by ectopic expression and detection of tryptamine accumulation in Nicotiana tabacum. To validate the defensive properties of serotonin, we used an artificial diet assay to show reduced Rhopalosiphum padi aphid survival with increasing serotonin concentrations. This demonstrated that serotonin is a defensive metabolite in S. viridis and is fundamental for understanding the adaptation of it to biotic stresses.