Plants have evolved a number of adaptive responses to cope with growth in conditions of limited phosphate (Pi) supply involving biochemical, metabolic, and developmental changes. We prepared an EMS-mutagenized M(2) population of an Arabidopsis thaliana transgenic line harboring a reporter gene specifically responsive to Pi starvation (AtIPS1::GUS), and screened for mutants altered in Pi starvation regulation. One of the mutants, phr1 (phosphate starvation response 1), displayed reduced response of AtIPS1::GUS to Pi starvation, and also had a broad range of Pi starvation responses impaired, including the responsiveness of various other Pi starvation-induced genes and metabolic responses, such as the increase in anthocyanin accumulation. PHR1 was positionally cloned and shown be related to the PHOSPHORUS STARVATION RESPONSE 1 (PSR1) gene from Chlamydomonas reinhardtii. A GFP::PHR1 protein fusion was localized in the nucleus independently of Pi status, as is the case for PSR1. PHR1 is expressed in Pi sufficient conditions and, in contrast to PSR1, is only weakly responsive to Pi starvation. PHR1, PSR1, and other members of the protein family share a MYB domain and a predicted coiled-coil (CC) domain, defining a subtype within the MYB superfamily, the MYB-CC family. Therefore, PHR1 was found to bind as a dimer to an imperfect palindromic sequence. PHR1-binding sequences are present in the promoter of Pi starvation-responsive structural genes, indicating that this protein acts downstream in the Pi starvation signaling pathway.

Plants respond to different stresses by inducing or repressing transcription of partially overlapping sets of genes. In Arabidopsis, the PHR1 transcription factor (TF) has an important role in the control of phosphate (Pi) starvation stress responses. Using transcriptomic analysis of Pi starvation in phr1, and phr1 phr1-like (phl1) mutants and in wild type plants, we show that PHR1 in conjunction with PHL1 controls most transcriptional activation and repression responses to phosphate starvation, regardless of the Pi starvation specificity of these responses. Induced genes are enriched in PHR1 binding sequences (P1BS) in their promoters, whereas repressed genes do not show such enrichment, suggesting that PHR1(-like) control of transcriptional repression responses is indirect. In agreement with this, transcriptomic analysis of a transgenic plant expressing PHR1 fused to the hormone ligand domain of the glucocorticoid receptor showed that PHR1 direct targets (i.e., displaying altered expression after GR:PHR1 activation by dexamethasone in the presence of cycloheximide) corresponded largely to Pi starvation-induced genes that are highly enriched in P1BS. A minimal promoter containing a multimerised P1BS recapitulates Pi starvation-specific responsiveness. Likewise, mutation of P1BS in the promoter of two Pi starvation-responsive genes impaired their responsiveness to Pi starvation, but not to other stress types. Phylogenetic footprinting confirmed the importance of P1BS and PHR1 in Pi starvation responsiveness and indicated that P1BS acts in concert with other cis motifs. All together, our data show that PHR1 and PHL1 are partially redundant TF acting as central integrators of Pi starvation responses, both specific and generic. In addition, they indicate that transcriptional repression responses are an integral part of adaptive responses to stress.

Arabidopsis COP1 is a constitutive repressor of photomorphogenesis that interacts with photomorphogenesis-promoting factors such as HY5 to promote their proteasome-mediated degradation. SPA1 is a repressor of phytochrome A-mediated responses to far-red light. Here we report that COP1 acts as part of a large protein complex and interacts with SPA1 in a light-dependent manner. We further demonstrate the E3 ubiquitin ligase activity of COP1 on HY5 in vitro and the alteration of that activity by SPA1. Thus, the COP1-SPA1 interaction defines a critical step in coordinating COP1-mediated ubiquitination and subsequent degradation of HY5 with PHYA signaling.

Significance When P levels are low, plants activate an array of adaptive responses to increase efficient acquisition and use of phosphate (Pi), the form in which P is preferentially absorbed, and to protect themselves from Pi starvation stress. Considerable progress has been made recently in dissecting the plant Pi starvation signaling pathway. Nonetheless, little is known as to how Pi levels are perceived by plants. Here, we identify the nuclear protein SPX1 as a Pi-dependent inhibitor of DNA binding by PHOSPHATE STARVATION RESPONSE 1 (PHR1), a master regulator of Pi starvation responses. We show that the Pi dependence of SPX1 inhibition of PHR1 activity can be recreated in vitro using purified proteins, which indicates that the SPX1/PHR1 module links Pi sensing and signaling.

Seasonal changes in day length are perceived by plant photoreceptors and transmitted to the circadian clock to modulate developmental responses such as flowering time. Blue-light-sensing cryptochromes, the E3 ubiquitin-ligase COP1, and clock-associated proteins ELF3 and GI regulate this process, although the regulatory link between them is unclear. Here we present data showing that COP1 acts with ELF3 to mediate day length signaling from CRY2 to GI within the photoperiod flowering pathway. We found that COP1 and ELF3 interact in vivo and show that ELF3 allows COP1 to interact with GI in vivo, leading to GI degradation in planta. Accordingly, mutation of COP1 or ELF3 disturbs the pattern of GI cyclic accumulation. We propose a model in which ELF3 acts as a substrate adaptor, enabling COP1 to modulate light input signal to the circadian clock through targeted destabilization of GI.

Summary Anthocyanins are natural pigments that accumulate only in light‐grown and not in dark‐grown Arabidopsis plants. Repression of anthocyanin accumulation in darkness requires the CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1/ SUPPRESSOR OF PHYA ‐105 ( COP 1/ SPA ) ubiquitin ligase, as cop1 and spa mutants produce anthocyanins also in the dark. Here, we show that COP 1 and SPA proteins interact with the myeloblastosis ( MYB ) transcription factors PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT 1 ( PAP )1 and PAP 2, two members of a small protein family that is required for anthocyanin accumulation and for the expression of structural genes in the anthocyanin biosynthesis pathway. The increased anthocyanin levels in cop1 mutants requires the PAP 1 gene family, indicating that COP 1 functions upstream of the PAP 1 gene family. PAP 1 and PAP 2 proteins are degraded in the dark and this degradation is dependent on the proteasome and on COP 1. Hence, the light requirement for anthocyanin biosynthesis results, at least in part, from the light‐mediated stabilization of PAP 1 and PAP 2. Consistent with this conclusion, moderate overexpression of PAP 1 leads to an increase in anthocyanin levels only in the light and not in darkness. Here we show that SPA genes are also required for reducing PAP 1 and PAP 2 transcript levels in dark‐grown seedlings. Taken together, these results indicate that the COP 1/ SPA complex affects PAP 1 and PAP 2 both transcriptionally and post‐translationally. Thus, our findings have identified mechanisms via which the COP 1/ SPA complex controls anthocyanin levels in Arabidopsis that may be useful for applications in biotechnology directed towards increasing anthocyanin content in plants.

Abstract Under favorable moisture, temperature and light conditions, gibberellin (GA) biosynthesis is induced and triggers seed germination. A major mechanism by which GA promotes seed germination is by promoting the degradation of the DELLA protein RGL2, a major repressor of germination in Arabidopsis seeds. Analysis of seed germination phenotypes of constitutively photomorphogenic 1 ( cop1 ) mutants and complemented COP1-OX/cop1-4 lines in response to GA and paclobutrazol (PAC) suggested a positive role for COP1 in seed germination and a relation with GA signaling. cop1-4 mutant seeds showed PAC hypersensitivity, but transformation with a COP1 overexpression construct rendered them PAC insensitive, with a phenotype similar to that of rgl2 mutant ( rgl2-SK54 ) seeds. Furthermore, cop1-4 rgl2-SK54 double mutants showed a PAC-insensitive germination phenotype like that of rgl2-SK54 , identifying COP1 as an upstream negative regulator of RGL2. COP1 interacts directly with RGL2 and in vivo this interaction is strongly enhanced by SPA1. COP1 directly ubiquitinates RGL2 to promote its degradation. Moreover, GA stabilizes COP1 with consequent RGL2 destabilization. By uncovering this COP1-RGL2 regulatory module, we reveal a novel mechanism whereby COP1 positively regulates seed germination and controls the expression of germination-promoting genes.

Abstract DE-ETIOLATED1 (DET1) is a negative regulator of plant photomorphogenesis acting as a component of the C3D complex, which can further associate to CULLIN4 to form a CRL4 C3D E3 ubiquitin ligase. CRL4 C3D is thought to act together with CRL4 COP1SPA ubiquitin ligase, to promote the ubiquitin-mediated degradation of the master regulatory transcription factor ELONGATED HYPOCOTYL5 (HY5), thereby controlling photomorphogenic gene regulatory networks. Yet, functional links between COP1 and DET1 have long remained elusive. Here, upon mass spectrometry identification of DET1 and COP1-associated proteins, we provide in vivo evidence that DET1 associates with COP1 to promote its destabilization, a process necessary to dampen HY5 protein abundance. By regulating HY5 over-accumulation, DET1 is critical to avoid its association to second-site loci, including many PIF3 target genes. Accordingly, excessive HY5 levels result in an increased HY5 repressive activity and are sufficient to trigger fusca -like phenotypes otherwise observed typically in COP1 and COP9 signalosome mutant seedlings. This study therefore identifies that DET1-mediated regulation of COP1 stability tunes down HY5 cistrome and avoids hyper-photomorphogenic responses that might compromise plant viability.

DELLA transcriptional regulators are central components in the control of plant body form in response to the environment. This is considered to be mediated by changes in the metabolism of the hormones gibberellins (GAs), which promote the degradation of DELLAs. However, here we show that warm temperature or shade reduced the stability of a GA-insensitive DELLA allele in Arabidopsis. Furthermore, the degradation of DELLA induced by the warmth anticipated changes in GA levels and depended on the E3 ubiquitin ligase CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC1 (COP1). COP1 enhanced the degradation of normal and GA-insensitive DELLA alleles when co-expressed in N. benthamiana. DELLA proteins physically interacted with COP1 in yeast, mammalian and plant cells. This interaction was enhanced by the COP1 complex partner SUPRESSOR OF phyA-105 1 (SPA1). The level of ubiquitination of DELLA was enhanced by COP1 and COP1 ubiquitinated DELLA proteins in vitro. We propose that DELLAs are destabilized not only by the canonical GA-dependent pathway but also by COP1 and that this control is relevant for growth responses to shade and warm temperature.

ABSTRACT Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) catalyzes the trimethylation of lysine 27 of histone H3 (H3K27me3) and plays a key role in epigenetic repression of gene expression in plants and animals. PRC2 core components have all been identified in Arabidopsis thaliana , with an expanding list of accessory proteins, some of which facilitate the recruitment of PRC2 to specific targets. INCURVATA11 (ICU11) is a 2-oxoglutarate and Fe 2+ -dependent dioxygenase that was previously shown to be a likely PRC2 accessory protein. In Tandem Affinity Purification (TAP)-based screens for interacting partners of ICU11 and its redundant paralog CUPULIFORMIS2 (CP2), we discovered that ICU11 interacts with four PRC2 core components, including EMBRYONIC FLOWER 2 (EMF2), and with the accessory proteins EMF1, TELOMERE REPEAT BINDING 1 (TRB1), TRB2, and TRB3. CP2 did not interact with PRC2 core components, nor with TRB1, TRB2, or TRB3, but did interact with TRB4 and TRB5. Both ICU11 and CP2 interacted with the nuclear proteins NAC DOMAIN CONTAINING PROTEIN 50 (NAC050), NAC052 and COP9 SIGNALOSOME SUBUNIT 1 (CSN1). Bimolecular Fluorescence Complementation (BiFC) assays revealed that ICU11 and CP2 both interact with the PRC2 core components CURLY LEAF and SWINGER, and the accessory proteins LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1, TRB1, and TRB3. ICU11 and CP2 did not interact with each other. Beyond their phenotypes, transcriptomic profiles revealed strong similarities between emf2-3 and the double mutant icu11-5 cp2-1 , as well as with mutants in PRC2 core components. A significant proportion of the genes mis-regulated in icu11-5 cp2-1 are known to harbor H3K27me3 repressive marks in the wild type. Our results provide further evidence that ICU11 acts as a PRC2 accessory protein, and strongly suggest that CP2 plays a similar role.