Significance Plant roots nurture a large diversity of soil microbes via exudation of chemical compounds into the rhizosphere. In turn, beneficial root microbiota promote plant growth and immunity. The root-specific transcription factor MYB72 has emerged as a central regulator in this process. Here, we show that MYB72 regulates the excretion of the coumarin scopoletin, an iron-mobilizing phenolic compound with selective antimicrobial activity that shapes the root-associated microbial community. Selected soil-borne fungal pathogens appeared to be highly sensitive to the antimicrobial activity of scopoletin, while two MYB72- inducing beneficial rhizobacteria were tolerant. Our results suggest that probiotic root-associated microbes that activate the iron-deficiency response during colonization stimulate MYB72-dependent excretion of scopoletin, thereby potentially improving their niche establishment and enhancing plant growth and protection.

Spontaneous degradation in hormone synthesis The phytohormone salicylic acid (SA) helps plants respond to biological and physical stresses. Rekhter et al. identified the biosynthetic pathway that produces SA in response to pathogens. A precursor, isochorismic acid, is formed in the chloroplast and then exported to the cytosol. There, enzymatically produced isochorismate-9-glutamate spontaneously decomposes to release SA plus a by-product. The results clarify key steps in the mechanisms involved in synthesizing this important regulator of plant immunity. Science , this issue p. 498

The biotrophic fungus Ustilago maydis causes smut disease in maize with characteristic tumor formation and anthocyanin induction. Here, we show that anthocyanin biosynthesis is induced by the virulence promoting secreted effector protein Tin2. Tin2 protein functions inside plant cells where it interacts with maize protein kinase ZmTTK1. Tin2 masks a ubiquitin-proteasome degradation motif in ZmTTK1, thus stabilizing the active kinase. Active ZmTTK1 controls activation of genes in the anthocyanin biosynthesis pathway. Without Tin2, enhanced lignin biosynthesis is observed in infected tissue and vascular bundles show strong lignification. This is presumably limiting access of fungal hyphae to nutrients needed for massive proliferation. Consistent with this assertion, we observe that maize brown midrib mutants affected in lignin biosynthesis are hypersensitive to U. maydis infection. We speculate that Tin2 rewires metabolites into the anthocyanin pathway to lower their availability for other defense responses. DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.01355.001.

Abstract The trade-off between growth and defense is a critical aspect of plant immunity. Therefore, plant immune response needs to be tightly regulated. The hormone regulating plant defense against biotrophic pathogens is salicylic acid (SA). Recently, N -hydroxy-pipecolic acid (NHP) was identified as second regulator for plant innate immunity and systemic acquired resistance. Although the biosynthetic pathway leading to NHP formation has already been identified, the route how NHP is further metabolized was unclear. Here, we present UGT76B1 as a UDP-dependent glycosyltransferase that modifies NHP by catalyzing the formation of 1- O -glucosyl-pipecolic acid (NHP- O Glc). Analysis of T-DNA and CRISPR knock-out mutant lines of UGT76B1 by targeted and non-targeted UHPLC-HRMS underlined NHP and SA as endogenous substrates of this enzyme in response to Pseudomonas infection and UV treatment. UGT76B1 shows similar K M for NHP and SA. ugt76b1 mutant plants have a dwarf phenotype and a constitutive defense response which can be suppressed by loss of function of the NHP biosynthetic enzyme FMO1. This suggests that elevated accumulation of NHP contributes to the enhanced disease resistance in ugt76b1 . Externally applied NHP can move to distal tissue in ugt76b1 mutant plants. Although glycosylation is not required for the long distance movement of NHP during systemic acquired resistance, it is crucial to balance growth and defense.

Abstract Pipecolic acid is essential for the establishment of systemic acquired resistance in plants. It is synthesized in the plastid and further processed in the cytosol to its active form N-hydroxy pipecolic acid. Here we provide strong evidence that the exporter Enhanced Disease Susceptibility 5 is required for the biosynthesis of not only salicylic acid, but also N-hydroxy pipecolic acid, suggesting that it represents a convergent point of plant immunity.

Summary Xylem sap is the major transport route for nutrients from roots to shoots. Here, we investigated how variations in nitrogen (N) nutrition affected the metabolome and proteome of xylem sap, growth of the xylem endophyte Brennaria salicis and report transcriptional re-wiring of leaf defenses in poplar ( Populus x canescens ). We supplied poplars with high, intermediate or low concentrations of ammonium or nitrate. We identified 288 unique proteins in xylem sap. About 85% of the xylem sap proteins were shared among ammonium- and nitrate-supplied plants. The number of proteins increased with increasing N supply but the major functional categories (catabolic processes, cell wall-related enzymes, defense) were unaffected. Ammonium nutrition caused higher abundances of amino acids and carbohydrates, while nitrate caused higher malate levels in xylem sap. Pipecolic acid and N -hydroxy-pipecolic acid increased whereas salicylic acid and jasmonoyl-isoleucine decreased with increasing N nutrition. Untargeted metabolome analyses revealed 2179 features in xylem sap, of which 863 were differentially affected by N treatments. We identified 122 metabolites, mainly from specialized metabolism of the groups of salicinoids, phenylpropanoids, phenolics, flavonoids, and benzoates. Their abundances increased with decreasing N. Endophyte growth was stimulated in xylem sap of high N- and suppressed in that of low N-fed plants. The drastic changes in xylem sap composition caused massive changes in the transcriptional landscape of leaves and recruited defense pathways against leaf feeding insects and biotrophic fungi, mainly under low nitrate. Our study uncovers unexpected complexity and variability of xylem composition with consequences for plant defenses. Significance statement This study reports the largest, currently available plant xylem sap proteome and metabolome databases and highlights novel discoveries of specialized metabolites and phytohormones in the xylem sap. This is the first multi-omics study linking differences in nitrogen supply with changes xylem sap composition, endophyte growth and transcriptional defenses in leaves.

ABSTRACT Land plants constantly respond to fluctuations in their environment. Part of their response is the production of a diverse repertoire of specialized metabolites. One of the foremost sources for metabolites relevant to environmental responses is the phenylpropanoid pathway, which was long thought to be a land plant-specific adaptation shaped by selective forces in the terrestrial habitat. Recent data have however revealed that streptophyte algae, the algal relatives of land plants, have candidates for the genetic toolkit for phenylpropanoid biosynthesis and produce phenylpropanoid-derived metabolites. Using phylogenetic and sequence analyses, we here show that the enzyme families that orchestrate pivotal steps in phenylpropanoid biosynthesis have independently undergone pronounced radiations and divergence in multiple lineages of major groups of land plants; sister to many of these radiated gene families are streptophyte algal candidates for these enzymes. These radiations suggest a high evolutionary versatility in the enzyme families involved in the phenylpropanoid-derived metabolism across embryophytes. We suggest that this versatility likely translates into functional divergence and may explain the key to one of the defining traits of embryophytes: a rich specialized metabolism.

Abstract Verticillia cause a vascular wilt disease affecting a broad range of economically valuable crops. The fungus enters its host plants through the roots and colonizes the vascular system. It requires extracellular proteins for a successful plant colonization. The exoproteome of the allodiploid Verticillium longisporum was analyzed upon cultivation in different media. Secreted fungal proteins were identified by label free LC-MS/MS screening. V. longisporum induced two main secretion patterns. One response pattern was elicited in various non-plant related environments. The second pattern includes the exoprotein responses to the plant-related media, pectin-rich simulated xylem medium and pure xylem sap, which exhibited similar but additional distinct features. These exoproteomes include a shared core set of 223 secreted and similarly enriched fungal proteins. The pectin-rich medium significantly induced the secretion of 144 proteins including a number of pectin degrading enzymes, whereas xylem sap triggered a smaller but unique fungal exoproteome pattern with 32 enriched proteins. The latter pattern included proteins with domains of known effectors, metallopeptidases and carbohydrate-active enzymes. The most abundant and uniquely enriched proteins of these different groups are the necrosis and ethylene inducing-like proteins Nlp2 and Nlp3, the cerato-platanin proteins Cp1 and Cp2, the metallopeptidases Mep1 and Mep2 and the CAZys Gla1, Amy1 and Cbd1. Deletion of the majority of the corresponding genes caused no phenotypic changes during ex planta growth or invasion and colonization of tomato plants. However, we discovered that the NLP2 and NLP3 deletion strains were compromised in plant infections. Overall, our exoproteome approach revealed that the fungus induces specific secretion responses in different environments. The fungus has a general response to non-plant related media whereas it is able to fine-tune its exoproteome in the presence of plant material. Importantly, the xylem sap-specific exoproteome pinpointed Nlp2 and Nlp3 as single effectors required for successful V. dahliae colonization. Author Summary Verticillium spp. infect hundreds of different plants world-wide leading to enormous economic losses. Verticillium wilt is a disease of the vasculature. The fungus colonizes the xylem of its host plant where it exploits the vascular system to colonize the whole plant. Therefore, the fungus spends part of its lifetime in this nutrient-low and imbalanced environment where it is inaccessible for disease control treatments. This lifestyle as well requires the fungus to react to plant defense responses by secreting specific effector molecules to establish a successful infection. We addressed the differences in media-dependent secretion responses of Verticillium longisporum . We identified a broad response pattern induced by several media, and a similar response (but with some distinct differences) for the plant-related environments: the pectin-rich medium SXM and xylem sap from the host rapeseed. Importantly, we show that the necrosis and ethylene inducing-like proteins Nlp2 and Nlp3 are xylem sap-specific proteins that are required for full V. dahliae pathogenicity on tomato. These factors play a role during the colonization phase and represent potential targets for new control strategies for Verticillium wilt.

The phytohormone salicylic acid (SA) is a central regulator of plant immunity. Despite such functional importance, our knowledge of its biosynthesis is incomplete. Previous work showed that SA is synthesized from chorismic acid in plastids. The bulk of pathogen-induced SA derives from isochorismate generated by the catalytic activity of ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1). How and in which cellular compartment isochorismate is converted to SA is unknown. Here we show that the pathway downstream of isochorismate requires only two additional proteins: the plastidial isochorismate exporter ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY5 (EDS5) and the cytosolic amido-transferase AvrPphB SUSCEPTIBLE3 (PBS3). PBS3 catalyzes the conjugation of glutamate to isochorismate. The reaction product isochorismate-9-glutamate spontaneously decomposes into enolpyruvyl- N -glutamate and SA. This previously unknown reaction mechanism appears to be conserved throughout the plant kingdom.One Sentence Summary Salicylic acid is synthesized via isochorismate-9-glutamate by PBS3.