Mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades are universal signal transduction modules in eukaryotes, including yeasts, animals and plants. These protein phosphorylation cascades link extracellular stimuli to a wide range of cellular responses. In plants, MAPK cascades are involved in responses to various biotic and abiotic stresses, hormones, cell division and developmental processes. Completion of the Arabidopsis genome-sequencing project has revealed the existence of 20 MAPKs, 10 MAPK kinases and 60 MAPK kinase kinases. Here, we propose a simplified nomenclature for Arabidopsis MAPKs and MAPK kinases that might also serve as a basis for standard annotation of these gene families in all plants.

The Arabidopsis mitogen-activated protein kinase (MAPK) kinase 2 (MKK2) and the downstream MAPKs MPK4 and MPK6 were isolated by functional complementation of osmosensitive yeast mutants. In Arabidopsis protoplasts, MKK2 was specifically activated by cold and salt stress and by the stress-induced MAPK kinase kinase MEKK1. Yeast two-hybrid, in vitro, and in vivo protein kinase assays revealed that MKK2 directly targets MPK4 and MPK6. Accordingly, plants overexpressing MKK2 exhibited constitutive MPK4 and MPK6 activity, constitutively upregulated expression of stress-induced marker genes, and increased freezing and salt tolerance. In contrast, mkk2 null plants were impaired in MPK4 and MPK6 activation and were hypersensitive to salt and cold stress. Full genome transcriptome analysis of MKK2-overexpressing plants demonstrated altered expression of 152 genes involved in transcriptional regulation, signal transduction, cellular defense, and stress metabolism. These data identify a MAP kinase signaling cascade mediating cold and salt stress tolerance in plants.

Mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways transfer information from sensors to cellular responses in all eukaryotes. A surprisingly large number of genes encoding MAPK pathway components have been uncovered by analysing model plant genomes, suggesting that MAPK cascades are abundant players of signal transduction. Recent investigations have confirmed major roles of defined MAPK pathways in development, cell proliferation and hormone physiology, as well as in biotic and abiotic stress signalling. Latest insights and findings are discussed in the context of novel MAPK pathways in plant stress signalling.

Arabidopsis MAP kinase 4 (MPK4) functions as a regulator of pathogen defense responses, because it is required for both repression of salicylic acid (SA)-dependent resistance and for activation of jasmonate (JA)-dependent defense gene expression. To understand MPK4 signaling mechanisms, we used yeast two-hybrid screening to identify the MPK4 substrate MKS1. Analyses of transgenic plants and genome-wide transcript profiling indicated that MKS1 is required for full SA-dependent resistance in mpk4 mutants, and that overexpression of MKS1 in wild-type plants is sufficient to activate SA-dependent resistance, but does not interfere with induction of a defense gene by JA. Further yeast two-hybrid screening revealed that MKS1 interacts with the WRKY transcription factors WRKY25 and WRKY33. WRKY25 and WRKY33 were shown to be in vitro substrates of MPK4, and a wrky33 knockout mutant was found to exhibit increased expression of the SA-related defense gene PR1. MKS1 may therefore contribute to MPK4-regulated defense activation by coupling the kinase to specific WRKY transcription factors.

Yeast and animals use mitogen-activated protein (MAP) kinase cascades to mediate stress and extracellular signals. We have tested whether MAP kinases are involved in mediating environmental stress responses in plants. Using specific peptide antibodies that were raised against different alfalfa MAP kinases, we found exclusive activation of p44MMK4 kinase in drought- and cold-treated plants. p44MMK4 kinase was transiently activated by these treatments and was correlated with a shift in the electrophoretic mobility of the p44MMK4 protein. Although transcript levels of the MMK4 gene accumulated after drought and cold treatment, no changes in p44MMK4 steady state protein levels were observed, indicating a posttranslational activation mechanism. Extreme temperatures, drought, and salt stress are considered to be different forms of osmotic stress. However, high salt concentrations or heat shock did not induce activation of p44MMK4, indicating the existence of distinct mechanisms to mediate different stresses in alfalfa. Stress adaptation in plants is mediated by abscisic acid (ABA)-dependent and ABA-independent processes. Although ABA rapidly induced the transcription of an ABA-inducible marker gene, MMK4 transcript levels did not increase and p44MMK4 kinase was not activated. These data indicate that the MMK4 kinase pathway mediates drought and cold signaling independently of ABA.

The Cf-9 resistance (R) gene from tomato confers resistance to the fungal pathogen Cladosporium fulvum expressing the corresponding, pathogen-derived avirulence gene product Avr9. To understand how an initial R/Avr recognition event is transmitted and triggers the induction of plant defenses, we investigated early Avr9/Cf-9-dependent activation of protein kinases in transgenic tobacco expressing the Cf-9 gene. We identified two protein kinases of 46 and 48 kD, using myelin basic protein as substrate, that became rapidly activated in a strictly gene-for-gene manner within 2 to 5 min after Avr9 elicitation in both Cf9 tobacco plants and derived cell cultures. Studies with pharmacological inhibitors and effectors revealed that Ca2+ influx and a phosphorylation event(s) are required for kinase activation, but neither enzyme is involved in the Avr9-dependent synthesis of active oxygen species. The activation of both kinases is achieved via post-translational mechanisms, and the activation but not inactivation step includes tyrosine phosphorylation. Using specific antibodies, we found that the 46- and 48-kD kinases were similiar to WIPK (for wound-induced protein kinase) and SIPK (for salicylic acid-induced protein kinase), two previously characterized mitogen-activated protein (MAP) kinases from tobacco. In addition, Cf9 tobacco plants and cell cultures showed an Avr9-dependent accumulation of the WIPK transcript. Cf9 tobacco suspension cultures are thus a unique system in which to analyze the earliest events in R gene function. These data indicate that (1) the R/Avr-mediated induction of plant defense is accomplished via several parallel signaling mechanisms, and (2) R/Avr-dependent signal transduction pathways are interlinked at MAP kinases with responses of plants not only to non-race-specific elicitors but also to abiotic stimuli, such as wounding and mechanical stress.

Abstract Plant resistance to disease is controlled by the combination of defense response pathways that are activated depending on the nature of the pathogen. We identified the Arabidopsis thaliana BOTRYTIS-INDUCED KINASE1 (BIK1) gene that is transcriptionally regulated by Botrytis cinerea infection. Inactivation of BIK1 causes severe susceptibility to necrotrophic fungal pathogens but enhances resistance to a virulent strain of the bacterial pathogen Pseudomonas syringae pv tomato. The response to an avirulent bacterial strain is unchanged, limiting the role of BIK1 to basal defense rather than race-specific resistance. The jasmonate- and ethylene-regulated defense response, generally associated with resistance to necrotrophic fungi, is attenuated in the bik1 mutant based on the expression of the plant defensin PDF1.2 gene. bik1 mutants show altered root growth, producing more and longer root hairs, demonstrating that BIK1 is also required for normal plant growth and development. Whereas the pathogen responses of bik1 are mostly dependent on salicylic acid (SA) levels, the nondefense responses are independent of SA. BIK1 is membrane-localized, suggesting possible involvement in early stages of the recognition or transduction of pathogen response. Our data suggest that BIK1 modulates the signaling of cellular factors required for defense responses to pathogen infection and normal root hair growth, linking defense response regulation with that of growth and development.

Excessive amounts of heavy metals adversely affect plant growth and development. Whereas some regions naturally contain high levels of heavy metals, anthropogenic release of heavy metals into the environment continuously increases soil contamination. The presence of elevated levels of heavy metal ions triggers a wide range of cellular responses including changes in gene expression and synthesis of metal-detoxifying peptides. To elucidate signal transduction events leading to the cellular response to heavy metal stress we analyzed protein phosphorylation induced by elevated levels of copper and cadmium ions as examples for heavy metals with different physiochemical properties and functions. Exposure of alfalfa (Medicago sativa) seedlings to excess copper or cadmium ions activated four distinct mitogen-activated protein kinases (MAPKs): SIMK, MMK2, MMK3, and SAMK. Comparison of the kinetics of MAPK activation revealed that SIMK, MMK2, MMK3, and SAMK are very rapidly activated by copper ions, while cadmium ions induced delayed MAPK activation. In protoplasts, the MAPK kinase SIMKK specifically mediated activation of SIMK and SAMK but not of MMK2 and MMK3. Moreover, SIMKK only conveyed MAPK activation by CuCl(2) but not by CdCl(2). These results suggest that plants respond to heavy metal stress by induction of several distinct MAPK pathways and that excess amounts of copper and cadmium ions induce different cellular signaling mechanisms in roots.

Programmed cell death (PCD) is a common host response to microbial infection [1-3]. In plants, PCD is associated with immunity to biotrophic pathogens, but it can also promote disease upon infection by necrotrophic pathogens [4]. Therefore, plant cell-suicide programs must be strictly controlled. Here we demonstrate that the Arabidopsis thaliana Brassinosteroid Insensitive 1 (BRI1)-associated receptor Kinase 1 (BAK1), which operates as a coreceptor of BRI1 in brassinolide (BL)-dependent plant development, also regulates the containment of microbial infection-induced cell death. BAK1-deficient plants develop spreading necrosis upon infection. This is accompanied by production of reactive oxygen intermediates and results in enhanced susceptibility to necrotrophic fungal pathogens. The exogenous application of BL rescues growth defects of bak1 mutants but fails to restore immunity to fungal infection. Moreover, BL-insensitive and -deficient mutants do not exhibit spreading necrosis or enhanced susceptibility to fungal infections. Together, these findings suggest that plant steroid-hormone signaling is dispensable for the containment of infection-induced PCD. We propose a novel, BL-independent function of BAK1 in plant cell-death control that is distinct from its BL-dependent role in plant development.