Beneficial root endophytic fungi induce systemic responses, growth promotion, and induced systemic resistance (ISR) in the colonized host plants. Soil application of chitin, a main component of fungal cell walls, also systemically induces disease resistance. Thus, chitin recognition and its downstream signaling pathway are supposed to mediate ISR triggered by beneficial fungi colonizing the root. This study compared systemic disease resistance and transcriptional responses induced by Trichoderma , a representative beneficial root endophytic fungus, and chitin in Arabidopsis. A significant plant growth promotion was observed under root colonization by the three tested beneficial fungi, Trichoderma atroviride , Serendipita indica , and S. vermifera . Still, only T. atroviride and S. indica triggered ISR against the necrotrophic fungal pathogen Alternaria brassicicola . Induced systemic resistance triggered by T. atroviride was compromised in the chitin-receptor mutant, while systemic resistance caused by soil application of chitin was not. Transcriptome analysis demonstrated that the chitin-regulated genes are mostly shared with those regulated by T. atroviride , but many of the latter were specific. However, the commonly enriched gene ontologies for those regulated genes indicated that T. atroviride inoculation and chitin application systemically control similar transcriptional responses, mainly associated with cell wall functions. Taken together, Trichoderma could trigger ISR primarily independently from the chitin-mediated signaling pathway; however, chitin and Trichoderma would systemically induce similar cellular functions in ISR aboveground.

Abstract Host plant-derived strigolactones trigger hyphal branching in arbuscular mycorrhizal (AM) fungi, initiating a symbiotic interaction between land plants and AM fungi. However, our previous studies revealed that gibberellin-treated Eustoma grandiflorum (Gentianaceae) activates rhizospheric hyphal branching in AM fungi using unidentified molecules other than strigolactones. In this study, we analyzed independent transcriptomic data of E. grandiflorum and found that the gentiopicroside (GPS) and swertiamarin (SWM), which are characteristic monoterpene glucosides in Gentianaceae, were highly biosynthesized in gibberellin-treated E. grandiflorum roots. Moreover, these metabolites considerably promoted hyphal branching in the Glomeraceae AM fungi Rhizophagus irregularis and R. clarus . GPS treatment also enhanced R. irregularis colonization of the monocotyledonous crop Allium schoenoprasum . Interestingly, these metabolites did not provoke the germination of the root parasitic plant Orobanche minor . Altogether, our study unveiled the crucial role of GPS and SWM in activating the symbiotic relationship between AM fungi and E. grandiflorum .

Summary The morphotype of arbuscular mycorrhizal (AM) roots is distinct mostly depending on AM host species: Arum , Paris , and Intermediate types. We previously reported that gibberellin (GA) promotes the establishment of Paris -type AM symbiosis in Eustoma grandiflorum despite its negative effects on Arum -type AM symbiosis in model plants. However, the molecular mechanisms underlying the differential effects of GA on different morphotypes, including Intermediate-type AM symbiosis, remain elusive. Comparative transcriptomics revealed that several symbiosis-related genes were transcriptionally promoted upon AM fungal colonization in Lotus japonicus ( Arum -type), Daucus carota (Intermediate-type), and E. grandiflorum ( Paris -type). Interestingly, upon GA treatment, the fungal colonization levels and expression of symbiosis-related genes were suppressed in L. japonicus and D. carota but were promoted in E. grandiflorum . Exogenous GA transcriptionally inhibited the biosynthetic process of a host-derived signal molecule involved in AM symbiosis, strigolactone, in L. japonicus and E. grandiflorum . Additionally, disaccharides mainly metabolized in AM roots would be different between L. japonicus and D. carota / E. grandiflorum . This study uncovered the conserved transcriptional responses during mycorrhization and diverse responses to GA in AM roots with distinct morphotypes among phylogenetically distant host plants.