Changes in redox status are a conspicuous feature of immune responses in a variety of eukaryotes1,2, but the associated signalling mechanisms are not well understood. In plants, attempted microbial infection triggers the rapid synthesis of nitric oxide3,4 and a parallel accumulation of reactive oxygen intermediates, the latter generated by NADPH oxidases related to those responsible for the pathogen-activated respiratory burst in phagocytes5. Both nitric oxide and reactive oxygen intermediates have been implicated in controlling the hypersensitive response, a programmed execution of plant cells at sites of attempted infection3,5,6. However, the molecular mechanisms that underpin their function and coordinate their synthesis are unknown. Here we show genetic evidence that increases in cysteine thiols modified using nitric oxide, termed S-nitrosothiols, facilitate the hypersensitive response in the absence of the cell death agonist salicylic acid and the synthesis of reactive oxygen intermediates. Surprisingly, when concentrations of S-nitrosothiols were high, nitric oxide function also governed a negative feedback loop limiting the hypersensitive response, mediated by S-nitrosylation of the NADPH oxidase, AtRBOHD, at Cys 890, abolishing its ability to synthesize reactive oxygen intermediates. Accordingly, mutation of Cys 890 compromised S-nitrosothiol-mediated control of AtRBOHD activity, perturbing the magnitude of cell death development. This cysteine is evolutionarily conserved and specifically S-nitrosylated in both human and fly NADPH oxidase, suggesting that this mechanism may govern immune responses in both plants and animals.

Animal S -nitrosoglutathione reductase (GSNOR) governs the extent of cellular S -nitrosylation, a key redox-based posttranslational modification. Mutations in AtGSNOR1 , an Arabidopsis thaliana GSNOR , modulate the extent of cellular S -nitrosothiol (SNO) formation in this model plant species. Loss of AtGSNOR1 function increased SNO levels, disabling plant defense responses conferred by distinct resistance ( R ) gene subclasses. Furthermore, in the absence of AtGSNOR1 , both basal and nonhost disease resistance are also compromised. Conversely, increased AtGSNOR1 activity reduced SNO formation, enhancing protection against ordinarily virulent microbial pathogens. Here we demonstrate that AtGSNOR1 positively regulates the signaling network controlled by the plant immune system activator, salicylic acid. This contrasts with the function of this enzyme in mice during endotoxic shock, where GSNOR antagonizes inflammatory responses. Our data imply SNO formation and turnover regulate multiple modes of plant disease resistance.

Plants are exposed to diverse abiotic stresses like drought, heat, salinity, and high-metal concentrations at different stages of their life cycle. As protection against stress, plants release signaling molecules that initiate a cascade of stress-adaptation responses leading either to programmed cell death or plant acclimation. Nitric oxide (NO) is a small but important redox signaling molecule that in plants is involved in a diverse range of physiological processes including germination, development, flowering, senescence, and abiotic stress. Although the exact role of NO in plants remains unclear and is species dependent, various studies have suggested a positive correlation between NO accumulations in stress in plants. In this article, we review and discuss the biosynthesis of NO, sources and exogenous application of NO donors under drought, salt, and heavy metal stress. A review of publications indicated that, in general, application of exogenous NO alleviates the negative stress effects in plants and improves antioxidant activity in most plant species. In addition, S-nitrosylation and tyrosine nitration are two NO-mediated posttranslational modification. All these factors are important in protecting plants from diverse stresses and vary with the species. Furthermore, to determine precise mechanisms of action of NO is expected to help in efficient utilization of crop cultivation under stress conditions.

Abstract The Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) MKK1 and MKK2 mitogen-activated protein kinase kinases have been implicated in biotic and abiotic stress responses as part of a signaling cascade including MEKK1 and MPK4. Here, the double loss-of-function mutant (mkk1/2) of MKK1 and MKK2 is shown to have marked phenotypes in development and disease resistance similar to those of the single mekk1 and mpk4 mutants. Because mkk1 or mkk2 single mutants appear wild type, basal levels of MPK4 activity are not impaired in them, and MKK1 and MKK2 are in part functionally redundant in unchallenged plants. These findings are confirmed and extended by biochemical and molecular analyses implicating the kinases in jasmonate- and salicylate-dependent defense responses, mediated in part via the MPK4 substrate MKS1. In addition, transcriptome analyses delineate overlapping and specific effects of the kinases on global gene expression patterns demonstrating both redundant and unique functions for MKK1 and MKK2.

Plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) are diverse, naturally occurring bacteria that establish a close association with plant roots and promote the growth and immunity of plants. Established mechanisms involved in PGPR-mediated plant growth promotion include regulation of phytohormones, improved nutrient availability, and antagonistic effects on plant pathogens. In this study, we isolated a bacterium from the rhizospheric soil of a soybean field in Chungcheong buk-do, South Korea. Using 16S rRNA sequencing, the bacterium was identified as Bacillus aryabhattai strain SRB02. Here we show that this strain significantly promotes the growth of soybean. Gas chromatography-mass spectrometry analysis showed that SRB02 produced significant amounts of abscisic acid, indole acetic acid, cytokinin and different gibberellic acids in culture. SRB02-treated soybean plants showed significantly better heat stress tolerance than did untreated plants. These plants also produced consistent levels of ABA under heat stress and exhibited ABA-mediated stomatal closure. High levels of IAA, JA, GA12, GA4, and GA7, were recorded in SRB02-treated plants. These plants produced longer roots and shoots than those of control plants. B. aryabhattai SRB02 was found to be highly tolerant to oxidative stress induced by H2O2 and MV potentiated by high catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD) activities. SRB02 also tolerated high nitrosative stress induced by the nitric oxide donors GSNO and CysNO. Because of these attributes, B. aryabhattai SRB02 may prove to be a valuable resource for incorporation in biofertilizers and other soil amendments that seek to improve crop productivity.

Abstract Recently, microorganism and exogenous melatonin application has been recognized as an efficient biological tool for enhancing salt tolerance and heavy metal detoxification in agriculture crops. Thus, the goal of this study was to isolate and evaluate a novel melatonin‐producing plant growth promoting bacterium. With high‐throughput whole genome sequencing, phytohormone measurements, expression profiling, and biochemical analysis, we can identify a novel PGPB that produces melatonin and unravel how it promotes soybean growth and development and protects against salt and Cd stress. We identify the melatonin synthesis pathway (tryptophan→tryptamine→serotonin melatonin) of the halotolerant (NaCl > 800 mM) and heavy metal‐resistant (Cd >3 mM) rhizobacterium Bacillus safensis EH143 and use it to treat soybean plants subjected to Cd and NaCl stresses. Results show that EH143 will highly bioaccumulate heavy metals and significantly improve P and Ca 2+ uptake and the K + /Na + (93%↑under salt stress) ratio while reducing Cd uptake (49% under Cd stress) in shoots. This activity was supported by the expression of the ion regulator HKT1, MYPB67, and the calcium sensors CDPK5 and CaMK1 which ultimately led to increased plant growth. EH143 significantly decreased ABA content in shoots by 13%, 20%, and 34% and increased SA biosynthesis in shoots by 14.8%, 31%, and 48.2% in control, salt, and Cd‐treated plants, upregulating CYP707A1 and CYP707A2 and PAL1 and ICS, respectively. The melatonin content significantly decreased along with a reduced expression of ASMT3 following treatment with EH143; moreover, reduced expression of peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD) by 134.5% and 39% under salt+Cd stress, respectively and increased level of total amino acids were observed. Whole‐genome sequencing and annotation of EH143 revealed the presence of the melatonin precursor tryptophan synthase (trpA, trpB, trpS), metal and other ion regulators (Cd: cadA, potassium: KtrA and KtrB, phosphate: glpT, calcium: yloB, the sodium/glucose cotransporter: sgIT, and the magnesium transporter: mgtE), and enzyme activators (including the siderophore transport proteins yfiZ and yfhA, the SOD sodA, the catalase katA1, and the glutathione regulator KefG) that may be involved in programming the plant metabolic system. As a consequence, EH143 treatment significantly reduced the contents of lipid peroxidation (O 2‐ , MDA, and H 2 O 2 ) up to 69%, 46%, and 29% in plants under salt+Cd stress, respectively. These findings suggest that EH143 could be a potent biofertilizer to alleviate NaCl and Cd toxicity in crops and serve as an alternative substitute for exogenous melatonin application.

Melatonin (MEL), a hormone primarily known for its role in regulating sleep and circadian rhythms in animals, has emerged as a multifaceted molecule in plants. Recent research has shed light on its diverse functions in plant growth and defense mechanisms. This review explores the intricate roles of MEL in plant growth and defense responses. MEL is involved in plant growth owing to its influence on hormone regulation. MEL promotes root elongation and lateral root formation and enhances photosynthesis, thereby promoting overall plant growth and productivity. Additionally, MEL is implicated in regulating the circadian rhythm of plants, affecting key physiological processes that influence plant growth patterns. MEL also exhibits antioxidant properties and scavenges reactive oxygen species, thereby mitigating oxidative stress. Furthermore, it activates defense pathways against various biotic stressors. MEL also enhances the production of secondary metabolites that contribute to plant resistance against environmental changes. MEL's ability to modulate plant response to abiotic stresses has also been extensively studied. It regulates stomatal closure, conserves water, and enhances stress tolerance by activating stress-responsive genes and modulating signaling pathways. Moreover, MEL and nitric oxide cooperate in stress responses, antioxidant defense, and plant growth. Understanding the mechanisms underlying MEL's actions in plants will provide new insights into the development of innovative strategies for enhancing crop productivity, improving stress tolerance, and combating plant diseases. Further research in this area will deepen our knowledge of MEL's intricate functions and its potential applications in sustainable agriculture.

Soil salinity is a major global challenge affecting agricultural productivity and food security. This study explores innovative strategies to improve salt tolerance in soybean (Glycine max), a crucial crop in the global food supply. This study investigates the synergistic effects of S-nitroso glutathione (GSNO) and silicon on enhancing salt tolerance in soybean (Glycine max). Two soybean cultivars, Seonpung (salt-tolerant) and Cheongja (salt-sensitive), were analyzed for various physiological, biochemical, and genetic traits under salt stress. The results showed that the combined GSNO and Si treatment significantly improved several key traits, including plant height, relative water content, root development, nodule numbers, chlorophyll content, and stomatal aperture, under both control and salt stress conditions. Additionally, this treatment optimized ion homeostasis by enhancing the Na/K ratio and Ca content, while reducing damage markers such as electrolyte leakage, malondialdehyde, and hydrogen peroxide. The stress-responsive compounds, including proline, ascorbate peroxidase, and water-soluble proteins, were elevated under stress conditions, indicating improved tolerance. Gene expression analysis revealed significant upregulation of genes such as GmNHX1, GmSOS2, and GmAKT1, associated with salt stress response, while GmNIP2.1, GmNIP2.2, and GmLBR were downregulated in both varieties. Notably, the salt-sensitive variety Cheongja exhibited higher electrolyte leakage and oxidative damage compared to the salt-tolerant Seonpung. These findings suggest that the combination of GSNO and silicon enhances salt tolerance in soybean by improving physiological resilience, ion homeostasis, and stress-responsive gene expression.