Selection pressure exerted by insects and microorganisms shapes the diversity of plant secondary metabolites. We identified a metabolic pathway for glucosinolates, known insect deterrents, that differs from the pathway activated by chewing insects. This pathway is active in living plant cells, may contribute to glucosinolate turnover, and has been recruited for broad-spectrum antifungal defense responses. The Arabidopsis CYP81F2 gene encodes a P450 monooxygenase that is essential for the pathogen-induced accumulation of 4-methoxyindol-3-ylmethylglucosinolate, which in turn is activated by the atypical PEN2 myrosinase (a type of β-thioglucoside glucohydrolase) for antifungal defense. We propose that reiterated enzymatic cycles, controlling the generation of toxic molecules and their detoxification, enable the recruitment of glucosinolates in defense responses.

Nonhost resistance describes the immunity of an entire plant species against nonadapted pathogen species. We report that Arabidopsis PEN2 restricts pathogen entry of two ascomycete powdery mildew fungi that in nature colonize grass and pea species. The PEN2 glycosyl hydrolase localizes to peroxisomes and acts as a component of an inducible preinvasion resistance mechanism. Postinvasion fungal growth is blocked by a separate resistance layer requiring the EDS1-PAD4-SAG101 signaling complex, which is known to function in basal and resistance ( R ) gene–triggered immunity. Concurrent impairment of pre- and postinvasion resistance renders Arabidopsis a host for both nonadapted fungi.

Abstract Comprehensive functional data on plant R2R3-MYB transcription factors is still scarce compared to the manifold of their occurrence. Here, we identified the Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) R2R3-MYB transcription factor MYB12 as a flavonol-specific activator of flavonoid biosynthesis. Transient expression in Arabidopsis protoplasts revealed a high degree of functional similarity between MYB12 and the structurally closely related factor P from maize (Zea mays). Both displayed similar target gene specificity, and both activated target gene promoters only in the presence of a functional MYB recognition element. The genes encoding the flavonoid biosynthesis enzymes chalcone synthase, chalcone flavanone isomerase, flavanone 3-hydroxylase, and flavonol synthase were identified as target genes. Hence, our observations further add to the general notion of a close relationship between structure and function of R2R3-MYB factors. High-performance liquid chromatography analyses of myb12 mutant plants and MYB12 overexpression plants demonstrate a tight linkage between the expression level of functional MYB12 and the flavonol content of young seedlings. Quantitative real time reverse transcription-PCR using these mutant plants showed MYB12 to be a transcriptional regulator of CHALCONE SYNTHASE and FLAVONOL SYNTHASE in planta, the gene products of which are indispensable for the biosynthesis of flavonols.

Arabidopsis thaliana ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1 (EDS1) controls defense activation and programmed cell death conditioned by intracellular Toll-related immune receptors that recognize specific pathogen effectors. EDS1 is also needed for basal resistance to invasive pathogens by restricting the progression of disease. In both responses, EDS1, assisted by its interacting partner, PHYTOALEXIN-DEFICIENT4 (PAD4), regulates accumulation of the phenolic defense molecule salicylic acid (SA) and other as yet unidentified signal intermediates. An Arabidopsis whole genome microarray experiment was designed to identify genes whose expression depends on EDS1 and PAD4, irrespective of local SA accumulation, and potential candidates of an SA-independent branch of EDS1 defense were found. We define two new immune regulators through analysis of corresponding Arabidopsis loss-of-function insertion mutants. FLAVIN-DEPENDENT MONOOXYGENASE1 (FMO1) positively regulates the EDS1 pathway, and one member (NUDT7) of a family of cytosolic Nudix hydrolases exerts negative control of EDS1 signaling. Analysis of fmo1 and nudt7 mutants alone or in combination with sid2-1, a mutation that severely depletes pathogen-induced SA production, points to SA-independent functions of FMO1 and NUDT7 in EDS1-conditioned disease resistance and cell death. We find instead that SA antagonizes initiation of cell death and stunting of growth in nudt7 mutants.

The chemical diversity within the plant kingdom is likely to be a consequence of niche colonization and adaptive evolution. Plant-derived natural products have important functions in defense. They also have broader ecological roles and may in addition participate in plant growth and development. Recent data suggest that some antimicrobial phytochemicals may not serve simply as chemical barriers but could also have functions in defense-related signaling processes. It is important, therefore, that we should not to be too reductionist in our thinking when endeavoring to understand the forces and mechanisms that drive chemical diversification in plants.

ABSTRACT Phytochelatin synthase (PCS) is a key component of heavy metal detoxification in plants. PCS catalyzes both the synthesis of the peptide phytochelatin from glutathione as well as the degradation of glutathione conjugates via peptidase activity. Here, we describe a hitherto uncharacterized role for PCS in disease resistance against plant pathogenic fungi. The pen4 mutant, which is allelic to cadmium insensitive 1 ( cad1/pcs1 ) mutants, was recovered from a screen for Arabidopsis mutants with reduced resistance to the non-adapted barley fungal pathogen, Blumeria graminis f. sp. hordei . PCS1, which is found in the cytoplasm of cells of healthy plants, translocates upon pathogen attack and colocalizes with the PEN2 myrosinase on the surface of immobilized mitochondria. pcs1 and pen2 mutant plants exhibit a similar metabolic defect in the accumulation of pathogen-inducible indole glucosinolate-derived compounds, suggesting that PEN2 and PCS1 act in the same metabolic pathway. The function of PCS1 in this pathway is independent of phytochelatin synthesis and deglycination of glutathione conjugates, as catalytic-site mutants of PCS1 are still functional in indole glucosinolate metabolism. In uncovering a previously unknown function for PCS1, we reveal this enzyme to be a moonlighting protein important for plant responses to both biotic and abiotic stresses.

Abstract Indole glucosinolates (IGs) are tryptophan (Trp)-derived sulfur-containing specialized metabolites that play a crucial role in plant-microbe interactions in plants of the order Brassicales, including Arabidopsis thaliana . Despite the growing body of evidence implicating IG biosynthetic pathways in root-microbiota interactions, how myrosinases, the enzymes that convert inert IGs into bioactive intermediate/terminal products, contribute to this process remains unknown. Here, we describe the roles of the PYK10 and BGLU21 myrosinases in root-microbiota assembly partly via metabolites secreted from roots into the rhizosphere. PYK10 and BGLU21 localize to the endoplasmic reticulum (ER) body, an ER-derived organelle observed in plants of the family Brassicaceae. We investigated the root microbiota structure of mutants defective in the Trp metabolic ( cyp79b2b3 and myb34/51/122 ) and ER body ( nai1 and pyk10bglu21 ) pathways and found that these factors together contribute to the assembly of root microbiota. Microbial community composition in soils as well as in bacterial synthetic communities (SynComs) treated with root exudates axenically collected from pyk10bglu21 and cyp79b2b3 differed significantly from those treated with exudates derived from wild-type plants, pointing to a direct role of root-exuded compounds. We also show that growth of the pyk10bglu21 and cyp79b2b3 mutants was severely inhibited by fungal endophytes isolated from healthy A. thaliana plants. Overall, our findings demonstrate that root ER body-resident myrosinases influencing the secretion of Trp-derived specialized metabolites represent a lineage-specific innovation that evolved in Brassicaceae to regulate root microbiota structure. Significance ER bodies were first identified in roots of Brassicaceae plants more than 50 years ago, but their physiological functions have remained uncharacterized. A series of previous studies have suggested their possible role in root-microbe interactions. Here, we provide clear experimental evidence showing a role for ER bodies in root-microbiota interactions, which overlaps with that of root-exuded Trp-derived metabolites. Our findings delineate a plant lineage-specific innovation involving intracellular compartments and metabolic enzymes that evolved to regulate plant-microbe interactions at the root-soil interface.

Abstract Plants recognize surrounding microbes by sensing microbe-associated molecular patterns (MAMPs) to activate pattern-triggered immunity (PTI). Despite their significance for microbial control, the evolution of PTI responses remains largely uncharacterized. Employing comparative transcriptomics of six Arabidopsis thaliana accessions and three additional Brassicaceae species for PTI responses to the MAMP flg22, we identified a set of genes with expression changes under purifying selection in the Brassicaceae species and genes exhibiting species-specific expression signatures. Variation in flg22-triggered transcriptome and metabolome responses across Brassicaceae species was incongruent with their phylogeny while expression changes were strongly conserved within A. thaliana , suggesting directional selection for some species-specific gene expression. We found the enrichment of WRKY transcription factor binding sites in 5’-regulatory regions in conserved and species-specific responsive genes, linking the emergence of WRKY-binding sites with the evolution of gene responses in PTI. Our findings advance our understanding of transcriptome evolution during biotic stress.

Abstract Endoplasmic reticulum (ER)-derived organelles, ER bodies, participate in the defense against herbivores in Brassicaceae plants. ER bodies accumulate β-glucosidases, which hydrolyse specialized thioglucosides known as glucosinolates to generate bioactive substances. In Arabidopsis thaliana , the leaf ER (LER) bodies are formed in large pavement cells, which are found in the petioles, margins, and blades of rosette leaves. However, the regulatory mechanisms involved in establishing large pavement cells are unknown. Here, we show that the ARABIDOPSIS THALIANA MERISTEM L1 LAYER (ATML1) transcription factor regulates the formation of LER bodies in large pavement cells of rosette leaves. Overexpression of ATML1 enhanced the expression of LER body-related genes and the number of LER body-containing large pavement cells, whereas its knockout resulted in opposite effects. ATML1 enhances endoreduplication and cell size through LOSS OF GIANT CELLS FROM ORGANS (LGO). Although the overexpression and knockout of LGO affected the appearance of large pavement cells in Arabidopsis, the effect on LER body-related gene expression and LER body formation was weak. LER body-containing large pavement cells were also found in Eutrema salsugineum , another Brassicaceae species. Our results demonstrate that ATML1 establishes large pavement cells to induce LER body formation in Brassicaceae plants, contributing to the defense against herbivores.

Summary Glucosinolates are specialized defensive metabolites characteristic for the Brassicales order. Among them aliphatic and indolic glucosinolates (IGs) are usually highly abundant in the species from Brassicaceae family. The exception from this trend is constituted by species representing a subclade of Camelineae tribe, including Capsella and Camelina genera, which have reduced capacity to produce and metabolize IGs. Our study addresses contribution of specific glucosinolate-related MYB transcription factors to this unprecedented backward evolution of IG biosynthesis. To this end we performed phylogenomic and functional studies of respective MYB proteins. Obtained results revealed weakened conservation of glucosinolate-related MYB transcription factors, including loss of functional MYB34 protein, in the investigated species. We showed that introduction of functional MYB34 from Arabidopsis thaliana partially restores IG biosynthesis in Capsella rubella indicating that loss of this transcription factor contributes to the backward evolution of this metabolic pathway. Finally, we performed analysis of the impact of particular myb mutations on the feedback loop in IG biosynthesis, which drives auxin overproduction, metabolic dysregulation and strong growth retardation caused by mutations in IG biosynthetic genes. This uncovered unique function of MYB34 among IG-related MYBs in this feedback regulation and consequently in IG conservation in Brassicaceae plants.