Abstract Plants have evolved robust mechanisms to respond and adapt to unfavorable environmental conditions, such as low temperature. The C-repeat/drought-responsive element binding factor CBF1/DREB1b gene encodes a transcriptional activator transiently induced by cold that controls the expression of a set of genes responding to low temperature (the CBF regulon). Constitutive expression of CBF1 confers freezing tolerance but also slows growth. Here, we propose that low temperature–induced CBF1 expression restrains growth at least in part by allowing the accumulation of DELLAs, a family of nuclear growth-repressing proteins, the degradation of which is stimulated by gibberellin (GA). We show that cold/CBF1 enhances the accumulation of a green fluorescent protein (GFP)–tagged DELLA protein (GFP-RGA) by reducing GA content through stimulating expression of GA-inactivating GA 2-oxidase genes. Accordingly, transgenic plants that constitutively express CBF1 accumulate less bioactive GA and as a consequence exhibit dwarfism and late flowering. Both phenotypes are suppressed when CBF1 is expressed in a line lacking two DELLA proteins, GA-INSENSITIVE and REPRESSOR OF GA1-3. In addition, we show that DELLAs contribute significantly to CBF1-induced cold acclimation and freezing tolerance by a mechanism that is distinct from the CBF regulon. We conclude that DELLAs are components of the CBF1-mediated cold stress response.

The plant hormone ethylene regulates a wide range of developmental processes and the response of plants to stress and pathogens. Genetic studies in Arabidopsis led to a partial elucidation of the mechanisms of ethylene action. Ethylene signal transduction initiates with ethylene binding at a family of ethylene receptors and terminates in a transcription cascade involving the EIN3/EIL and ERF families of plant-specific transcription factors. Here, we identify two Arabidopsis F box proteins called EBF1 and EBF2 that interact physically with EIN3/EIL transcription factors. EBF1 overexpression results in plants insensitive to ethylene. In contrast, plants carrying the ebf1 and ebf2 mutations display a constitutive ethylene response and accumulate the EIN3 protein in the absence of the hormone. Our work places EBF1 and EBF2 within the genetic framework of the ethylene-response pathway and supports a model in which ethylene action depends on EIN3 protein stabilization.

Xie and colleagues previously isolated the Arabidopsis COI1 gene that is required for response to jasmonates (JAs), which regulate root growth, pollen fertility, wound healing, and defense against insects and pathogens. In this study, we demonstrate that COI1 associates physically with AtCUL1, AtRbx1, and either of the Arabidopsis Skp1-like proteins ASK1 or ASK2 to assemble ubiquitin-ligase complexes, which we have designated SCFCOI1. COI1E22A, a single amino acid substitution in the F-box motif of COI1, abolishes the formation of the SCFCOI1 complexes and results in loss of the JA response. AtRbx1 double-stranded RNA-mediated genetic interference reduces AtRbx1 expression and affects JA-inducible gene expression. Furthermore, we show that the AtCUL1 component of SCFCOI1 complexes is modified in planta, where mutations in AXR1 decrease the abundance of the modified AtCUL1 of SCFCOI1 and lead to a reduction in JA response. Finally, we demonstrate that the axr1 and coi1 mutations display a synergistic genetic interaction in the double mutant. These results suggest that the COI1-mediated JA response is dependent on the SCFCOI1 complexes in Arabidopsis and that the AXR1-dependent modification of the AtCUL1 subunit of SCFCOI1 complexes is important for JA signaling.

Systemic acquired resistance (SAR) is a broad-spectrum plant immune response involving profound transcriptional changes that are regulated by the coactivator NPR1. Nuclear translocation of NPR1 is a critical regulatory step, but how the protein is regulated in the nucleus is unknown. Here, we show that turnover of nuclear NPR1 protein plays an important role in modulating transcription of its target genes. In the absence of pathogen challenge, NPR1 is continuously cleared from the nucleus by the proteasome, which restricts its coactivator activity to prevent untimely activation of SAR. Surprisingly, inducers of SAR promote NPR1 phosphorylation at residues Ser11/Ser15, and then facilitate its recruitment to a Cullin3-based ubiquitin ligase. Turnover of phosphorylated NPR1 is required for full induction of target genes and establishment of SAR. These in vivo data demonstrate dual roles for coactivator turnover in both preventing and stimulating gene transcription to regulate plant immunity.

Summary

 Plant growth is adaptively modulated in response to environmental change. The phytohormone gibberellin (GA) promotes growth by stimulating destruction of the nuclear growth-repressing DELLA proteins [1–7], thus providing a mechanism for environmentally responsive growth regulation [8, 9]. Furthermore, DELLAs promote survival of adverse environments [8]. However, the relationship between these survival and growth-regulatory mechanisms was previously unknown. Here, we show that both mechanisms are dependent upon control of the accumulation of reactive oxygen species (ROS). ROS are small molecules generated during development and in response to stress that play diverse roles as eukaryotic intracellular second messengers [10]. We show that Arabidopsis DELLAs cause ROS levels to remain low after either biotic or abiotic stress, thus delaying cell death and promoting tolerance. In essence, stress-induced DELLA accumulation elevates the expression of genes encoding ROS-detoxification enzymes, thus reducing ROS levels. In accord with recent demonstrations that ROS control root cell expansion [11, 12], we also show that DELLAs regulate root-hair growth via a ROS-dependent mechanism. We therefore propose that environmental variability regulates DELLA activity [8] and that DELLAs in turn couple the downstream regulation of plant growth and stress tolerance through modulation of ROS levels.

Plant growth involves the integration of many environmental and endogenous signals that together with the intrinsic genetic program determine plant size. At the cellular level, growth rate is regulated by the combined activity of two processes: cell proliferation and expansion. Gibberellins (GA) are plant-specific hormones that play a central role in the regulation of growth and development with respect to environmental variability [1Olszewski N. Sun T-p. Gubler F. Gibberellin signaling: Biosynthesis, catabolism, and response pathways.Plant Cell. 2002; 14: S61-S80PubMed Google Scholar, 2Achard P. Cheng H. De Grauwe L. Decat J. Schoutteten H. Moritz T. Van Der Straeten D. Peng J. Harberd N.P. Integration of plant responses to environmentally activated phytohormonal signals.Science. 2006; 331: 91-94Crossref Scopus (1092) Google Scholar, 3Achard P. Renou J.-P. Berthomé R. Harberd N.P. Genschik P. Plant DELLAs restrain growth and promote survival of adversity by reducing the levels of reactive oxygen species.Curr. Biol. 2008; 18: 656-660Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (375) Google Scholar]. It is well established that GA promote growth through cell expansion by stimulating the destruction of growth-repressing DELLA proteins (DELLAs) [1Olszewski N. Sun T-p. Gubler F. Gibberellin signaling: Biosynthesis, catabolism, and response pathways.Plant Cell. 2002; 14: S61-S80PubMed Google Scholar, 4Peng J. Carol P. Richards D.E. King K.E. Cowling R.J. Murphy G.P. Harberd N.P. The Arabidopsis GAI gene defines a signaling pathway that negatively regulates gibberellin responses.Genes Dev. 1997; 11: 3194-3205Crossref PubMed Scopus (883) Google Scholar, 5Silverstone A.L. Ciampaglio C.N. Sun T-p. The Arabidopsis RGA gene encodes a transcriptional regulator repressing the gibberellin signal transduction pathway.Plant Cell. 1998; 10: 155-169Crossref PubMed Scopus (588) Google Scholar, 6Silverstone A.L. Jung H.S. Dill A. Kawaide H. Kamiya Y. Sun T-p. Repressing a repressor: Gibberellin-induced rapid reduction of the RGA protein in Arabidopsis.Plant Cell. 2001; 13: 1555-1566Crossref PubMed Scopus (421) Google Scholar]; however, their effects on cell proliferation remain unknown. Kinematic analysis of leaf and root meristem growth revealed a novel function of DELLAs in restraining cell production. Moreover, by visualizing the cell cycle marker cyclinB1::β-glucuronidase in GA-signaling mutants, we show that GA modulate cell cycle activity in the root meristem via a DELLA-dependent mechanism. Accordingly, expressing gai (a nondegradable DELLA protein [4Peng J. Carol P. Richards D.E. King K.E. Cowling R.J. Murphy G.P. Harberd N.P. The Arabidopsis GAI gene defines a signaling pathway that negatively regulates gibberellin responses.Genes Dev. 1997; 11: 3194-3205Crossref PubMed Scopus (883) Google Scholar]) solely in root meristem reduced substantially the number of dividing cells. We also show that DELLAs restrain cell production by enhancing the levels of the cell cycle inhibitors Kip-related protein 2 (KRP2) and SIAMESE (SIM). Therefore, DELLAs exert a general plant growth inhibitory activity by reducing both cell proliferation and expansion rates, enabling phenotypic plasticity.

The length of the Arabidopsis thaliana life cycle depends on the timing of the floral transition. Here, we define the relationship between the plant stress hormone ethylene and the timing of floral initiation. Ethylene signaling is activated by diverse environmental stresses, but it was not previously clear how ethylene regulates flowering. First, we show that ethylene delays flowering in Arabidopsis, and that this delay is partly rescued by loss-of-function mutations in genes encoding the DELLAs, a family of nuclear gibberellin (GA)-regulated growth-repressing proteins. This finding suggests that ethylene may act in part by modulating DELLA activity. We also show that activated ethylene signaling reduces bioactive GA levels, thus enhancing the accumulation of DELLAs. Next, we show that ethylene acts on DELLAs via the CTR1-dependent ethylene response pathway, most likely downstream of the transcriptional regulator EIN3. Ethylene-enhanced DELLA accumulation in turn delays flowering via repression of the floral meristem-identity genes LEAFY (LFY) and SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1 (SOC1). Our findings establish a link between the CTR1/EIN3-dependent ethylene and GA-DELLA signaling pathways that enables adaptively significant regulation of plant life cycle progression in response to environmental adversity.

ABSTRACT Plant RNA viruses form highly organized membrane-bound virus replication complexes (VRCs) to replicate their genome and multiply. This process requires both virus- and host-encoded proteins and leads to the production of double-stranded RNA (dsRNA) intermediates of replication that trigger potent antiviral defenses in all eukaryotes. In this work, we describe the use of A. thaliana constitutively expressing GFP-tagged dsRNA-binding protein (B2:GFP) to pull down viral replicating RNA and associated proteins in planta upon infection with tobacco rattle virus (TRV). Mass spectrometry analysis of the dsRNA-B2:GFP-bound proteins from TRV-infected plants revealed the presence of (i) viral proteins such as the replicase, which attested to the successful isolation of VRCs, and (ii) a number of host proteins, some of which have previously been involved in virus infection. Among a set of nine selected such host candidate proteins, eight showed dramatic re-localization upon infection, and seven of these co-localized with B2-labeled TRV replication complexes, providing ample validation for the immunoprecipitation results. Infection of A. thaliana T-DNA mutant lines for eight of these factors revealed that genetic knock-out of the Double-stranded RNA-Binding protein 2 (DRB2) leads to increased TRV accumulation. In addition, over-expression of this protein caused a dramatic decrease in the accumulation of four unrelated plant RNA viruses, indicating that DRB2 has a potent and wide-ranging antiviral activity. We therefore propose B2:GFP-mediated pull down of dsRNA to be a novel and robust method to explore the proteome of VRCs in planta , allowing the discovery of key players in the viral life cycle. AUTHOR SUMMARY Viruses are an important class of pathogens that represent a major problem for human, animal and plant health. They hijack the molecular machinery of host cells to complete their replication cycle, a process frequently associated with the production of double-stranded RNA (dsRNA) that is regarded as a universal hallmark of infection by RNA viruses. Here we exploited the capacity of a GFP-tagged dsRNA-binding protein stably expressed in transgenic Arabidopsis to pull down dsRNA and associated proteins upon virus infection. In this manner we specifically captured short and long dsRNA from tobacco rattle virus (TRV) infected plants, and successfully isolated viral proteins such as the replicase, which attested to the successful isolation of virus replication complexes (VRCs). More excitingly, a number of host proteins, some of which have previously been involved in virus infection, were also captured. Remarkably, among a set of nine host candidates that were analyzed, eight showed dramatic re-localization to viral factories upon infection, and seven of these co-localized dsRNA-labeled VRCs. Genetic knock-out and over-expression experiments revealed that one of these proteins, A. thaliana DRB2, has a remarkable antiviral effect on four plant RNA viruses belonging to different families, providing ample validation of the potential of this experimental approach in the discovery of novel defense pathways and potential biotech tools to combat virus infections in the field. Being compatible with any plant virus as long as it infects Arabidopsis, we propose our dsRNA-centered strategy to be a novel and robust method to explore the proteome of VRCs in planta .

Abstract The ubiquitin-proteasome system is vital to hormone-mediated developmental and stress responses in plants. Ubiquitin ligases target hormone-specific transcriptional activators (TAs) for degradation, but how TAs are processed by proteasomes remains unknown. We report that in Arabidopsis the salicylic acid-and ethylene-responsive TAs, NPR1 and EIN3, are relayed from pathway-specific ubiquitin ligases to proteasome-associated HECT-type UPL3/4 ligases. Activity and stability of NPR1 was regulated by sequential action of three ubiquitin ligases, including UPL3/4, while proteasome processing of EIN3 required physical handover between ethylene-responsive SCF EBF2 and UPL3/4 ligases. Consequently, UPL3/4 controlled extensive hormone-induced developmental and stress-responsive transcriptional programmes. Thus, our findings identify unknown ubiquitin ligase relays that terminate with proteasome-associated HECT-type ligases, which may be a universal mechanism for processive degradation of proteasome-targeted TAs and other substrates. One-Sentence Summary Transcriptional activators are targeted by proteasomal ubiquitin ligase relays that control their activity and stability.

Abstract RNA silencing is a conserved mechanism in eukaryotes and is involved in development, heterochromatin maintenance and defense against viruses. In plants, ARGONAUTE1 (AGO1) protein plays a central role in both microRNA (miRNA) and small interfering RNA (siRNA)-directed silencing and its expression is regulated at multiple levels. Here, we report that the F-box protein FBW2 targets proteolysis of AGO1 by a CDC48-mediated mechanism. We found that FBW2 assembles an SCF complex that recognizes the MID-PIWI domain of AGO1 and requires its C-terminal domain containing a GW motif for AGO1 turnover. We showed that FBW2 prefers the unloaded and some mutated forms of AGO1 protein. While FBW2 loss of function does not lead to strong growth or developmental defects, it significantly increases RNA silencing activity. Interestingly, under conditions in which small RNA production or accumulation is affected, the failure to degrade AGO1 in fbw2 mutants becomes more deleterious for the plant. Hence, the non-degradable AGO1 protein assembles high molecular weight complexes and binds illegitimate small RNA leading to the cleavage of new target genes that belong to stress responses and cellular metabolic processes. Therefore, the control of AGO1 homeostasis by ubiquitin ligases plays an important role in quality control to avoid off-target cleavage.