Transcriptional regulation is a central process in plant immunity. The induction or repression of defense genes is orchestrated by signaling networks that are directed by plant hormones of which salicylic acid (SA) and jasmonic acid (JA) are the major players. Extensive cross-communication between the hormone signaling pathways allows for fine tuning of transcriptional programs, determining resistance to invaders and trade-offs with plant development. Here, we give an overview of how SA can control transcriptional reprogramming of JA-induced genes in Arabidopsis thaliana. SA can influence activity and/or localization of transcriptional regulators by post-translational modifications of transcription factors and co-regulators. SA-induced redox changes, mediated by thioredoxins and glutaredoxins, modify transcriptional regulators that are involved in suppression of JA-dependent genes, such as NPR1 and TGA transcription factors, which affects their localization or DNA binding activity. Furthermore, SA can mediate sequestering of JA-responsive transcription factors away from their target genes by stalling them in the cytosol or in complexes with repressor proteins in the nucleus. SA also affects JA-induced transcription by inducing degradation of transcription factors with an activating role in JA signaling, as was shown for the ERF transcription factor ORA59. Additionally, SA can induce negative regulators, among which WRKY transcription factors, that can directly or indirectly inhibit JA-responsive gene expression. Finally, at the DNA level, modification of histones by SA-dependent factors can result in repression of JA-responsive genes. These diverse and complex regulatory mechanisms affect important signaling hubs in the integration of hormone signaling networks. Some pathogens have evolved effectors that highjack hormone crosstalk mechanisms for their own good, which are described in this review as well.

Jasmonic acid (JA) is a critical hormonal regulator of plant growth and defense. To advance our understanding of the architecture and dynamic regulation of the JA gene regulatory network, we performed a high-resolution RNA-seq time series of methyl JA-treated Arabidopsis thaliana at 15 time points over a 16-h period. Computational analysis showed that methyl JA (MeJA) induces a burst of transcriptional activity, generating diverse expression patterns over time that partition into distinct sectors of the JA response targeting specific biological processes. The presence of transcription factor (TF) DNA binding motifs correlated with specific TF activity during temporal MeJA-induced transcriptional reprogramming. Insight into the underlying dynamic transcriptional regulation mechanisms was captured in a chronological model of the JA gene regulatory network. Several TFs, including MYB59 and bHLH27, were uncovered as early network components with a role in pathogen and insect resistance. Analysis of subnetworks surrounding the TFs ORA47, RAP2.6L, MYB59, and ANAC055, using transcriptome profiling of overexpressors and mutants, provided insights into their regulatory role in defined modules of the JA network. Collectively, our work illuminates the complexity of the JA gene regulatory network, pinpoints and validates previously unknown regulators, and provides a valuable resource for functional studies on JA signaling components in plant defense and development.

Abstract Brassica plants activate a strong hypersensitive response (HR)-like necrosis underneath eggs of cabbage white butterflies, but their molecular response to eggs is poorly understood. Here, we developed a method to generate egg wash to identify potential insect egg-associated molecular patterns (EAMPs) inducing HR-like necrosis. We found that egg wash, containing compounds from Pieris eggs, induced a similar response as eggs. We show that wash of hatched eggs, of egg glue, and of accessory reproductive glands (ARG) that produce this glue, also induced HR-like necrosis, whereas removal of the glue from eggs resulted in a reduced response. Eggs of Pieris butterflies induced callose deposition, production of reactive oxygen species and cell death in B. nigra and B. rapa leaf tissue, also in plants that did not express HR-like necrosis. Finally, only washes from Pieris eggs induced defence genes and ethylene production, whereas egg wash of a generalist moth did not. Our results indicate that EAMPs are in the egg glue and that the response in B. nigra is specific to Pieris species. Our study expands knowledge on the Brassica - Pieris -egg interaction, and paves the way for identification of EAMPs in Pieris egg glue and corresponding receptor in Brassica spp.

Abstract Plants with innate disease and pest resistance can contribute to more sustainable agriculture. Natural defence compounds produced by plants have the potential to provide a general protective effect against pathogens and pests, but they are not a primary target in resistance breeding. Here, we identified a wild relative of potato, Solanum commersonii , that provides us with unique insight in the role of glycoalkaloids in plant immunity. We cloned two atypical resistance genes that provide resistance to Alternaria solani and Colorado potato beetle through the production of tetraose steroidal glycoalkaloids. Moreover, we provide in vitro evidence to show that these compounds have potential against a range of different (potato pathogenic) fungi. This research links structural variation in steroidal glycoalkaloids to resistance against potato diseases and pests. Further research on the biosynthesis of plant defence compounds in different tissues, their toxicity, and the mechanisms for detoxification, can aid the effective use of such compounds to improve sustainability of our food production.

The phytohormone jasmonic acid (JA) is a critical regulator of plant growth and defense. To significantly advance our understanding of the architecture and dynamics of the JA gene regulatory network, we performed high-resolution RNA-Seq time series analyses of methyl JA-treated Arabidopsis thaliana. Computational analysis unraveled in detail the chronology of events that occur during the early and later phases of the JA response. Several transcription factors, including ERF16 and bHLH27, were uncovered as early components of the JA gene regulatory network with a role in pathogen and insect resistance. Moreover, analysis of subnetworks surrounding the JA-induced transcription factors ORA47, RAP2.6L, and ANAC055 provided novel insights into their regulatory role of defined JA network modules. Collectively, our work illuminates the complexity of the JA gene regulatory network, pinpoints to novel regulators, and provides a valuable resource for future studies on the function of JA signaling components in plant defense and development.

The phytohormone jasmonic acid (JA) is vital in plant defense and development. Although biosynthesis of JA and activation of JA-responsive gene expression by the bioactive form JA-isoleucine (JA-Ile) have been well-studied, knowledge on JA metabolism is incomplete. In particular, the enzyme that hydroxylates JA to 12-OH-JA, an inactive form of JA that accumulates after wounding and pathogen attack, is unknown. Here, we report the identification of four paralogous 2-oxoglutarate/Fe(II)-dependent oxygenases in Arabidopsis thaliana as JA hydroxylases and show that they down-regulate JA-dependent responses. As they are induced by JA we named them JASMONATE-INDUCED OXYGENASEs (JOXs). Concurrent mutation of the four genes in a quadruple Arabidopsis mutant resulted in increased defense gene expression and increased resistance to the necrotrophic fungus Botrytis cinerea and the caterpillar Mamestra brassicae. In addition, root and shoot growth of the plants was inhibited. Metabolite analysis of leaves showed that loss of function of the four JOX enzymes resulted in over-accumulation of JA and in reduced turnover of JA into 12-OH-JA. Transformation of the quadruple mutant with each JOX gene strongly reduced JA levels, demonstrating that all four JOXs inactivate JA in plants. The in vitro catalysis of 12-OH-JA from JA by recombinant enzyme could be confirmed for three JOXs. The identification of the enzymes responsible for hydroxylation of JA reveals a missing step in JA metabolism, which is important for the inactivation of the hormone and subsequent down-regulation of JA-dependent defenses.

Evolutionary arms-races between plants and herbivores have been proposed to generate key innovations that can drive diversification of the interacting species. Recent studies reveal that plant traits that target herbivore insect eggs are widespread throughout the plant kingdom. Within the Brassicaceae family, some plants express a hypersensitive response (HR)-like necrosis underneath the eggs of specialist cabbage white butterflies (Pieridae) that leads to eggs desiccating or dropping of the leaf. Here, we studied the evolutionary basis of this trait, its egg-killing effect on and elicitation by specialist butterflies, by screening 31 Brassicaceae species and nine Pieridae species. We show that induction of HR-like necrosis by pierid egg deposition is clade-specific in the economically important Brassiceae tribe (Brassica crops and close-relatives) and in the first-branching genus Aethionema. The necrosis is elicited only by pierid butterflies that feed on Brassicaceae plants; four Pieris and Anthocharis cardamines butterflies, of which the larvae are specialists on Brassicaceae, elicited a HR-like necrosis. Eggs of pierid butterflies that feed on Rhamnaceae (Gonepteryx rhamni) or Fabaceae (Colias spp.) however, did not elicit such a leaf necrosis. Finally, eggs of Aglais io, a species of the sister group Nymphalidae, did not elicit any visible response. Counter-adaptations to HR-like necrosis might have evolved by insect deposition of eggs in clusters or on inflorescences. Our findings suggest that the plants egg-killing trait is a new front on the evolutionary arms-race between Brassicaceae and pierid butterflies beyond the well-studied chemical defence traits against caterpillars.