Karrikins are butenolides derived from burnt vegetation that stimulate seed germination and enhance seedling responses to light. Strigolactones are endogenous butenolide hormones that regulate shoot and root architecture, and stimulate the branching of arbuscular mycorrhizal fungi. Thus, karrikins and strigolactones are structurally similar but physiologically distinct plant growth regulators. In Arabidopsis thaliana, responses to both classes of butenolides require the F-box protein MAX2, but it remains unclear how discrete responses to karrikins and strigolactones are achieved. In rice, the DWARF14 protein is required for strigolactone-dependent inhibition of shoot branching. Here, we show that the Arabidopsis DWARF14 orthologue, AtD14, is also necessary for normal strigolactone responses in seedlings and adult plants. However, the AtD14 paralogue KARRIKIN INSENSITIVE 2 (KAI2) is specifically required for responses to karrikins, and not to strigolactones. Phylogenetic analysis indicates that KAI2 is ancestral and that AtD14 functional specialisation has evolved subsequently. Atd14 and kai2 mutants exhibit distinct subsets of max2 phenotypes, and expression patterns of AtD14 and KAI2 are consistent with the capacity to respond to either strigolactones or karrikins at different stages of plant development. We propose that AtD14 and KAI2 define a class of proteins that permit the separate regulation of karrikin and strigolactone signalling by MAX2. Our results support the existence of an endogenous, butenolide-based signalling mechanism that is distinct from the strigolactone pathway, providing a molecular basis for the adaptive response of plants to smoke.

Smoke is an important abiotic cue for plant regeneration in postfire landscapes. Karrikins are a class of compounds discovered in smoke that promote seed germination and influence early development of many plants by an unknown mechanism. A genetic screen for karrikin-insensitive mutants in Arabidopsis thaliana revealed that karrikin signaling requires the F-box protein MAX2, which also mediates responses to the structurally-related strigolactone family of phytohormones. Karrikins and the synthetic strigolactone GR24 trigger similar effects on seed germination, seedling photomorphogenesis, and expression of a small set of genes during these developmental stages. Karrikins also repress MAX4 and IAA1 transcripts, which show negative feedback regulation by strigolactone. We demonstrate that all of these common responses are abolished in max2 mutants. Unlike strigolactones, however, karrikins do not inhibit shoot branching in Arabidopsis or pea, indicating that plants can distinguish between these signals. These results suggest that a MAX2-dependent signal transduction mechanism was adapted to mediate responses to two chemical cues with distinct roles in plant ecology and development.

Two α/β-fold hydrolases, KARRIKIN INSENSITIVE2 (KAI2) and Arabidopsis thaliana DWARF14 (AtD14), are necessary for responses to karrikins (KARs) and strigolactones (SLs) in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). Although KAI2 mediates responses to KARs and some SL analogs, AtD14 mediates SL but not KAR responses. To further determine the specificity of these proteins, we assessed the ability of naturally occurring deoxystrigolactones to inhibit Arabidopsis hypocotyl elongation, regulate seedling gene expression, suppress outgrowth of secondary inflorescences, and promote seed germination. Neither 5-deoxystrigol nor 4-deoxyorobanchol was active in KAI2-dependent seed germination or hypocotyl elongation, but both were active in AtD14-dependent hypocotyl elongation and secondary shoot growth. However, the nonnatural enantiomer of 5-deoxystrigol was active through KAI2 in growth and gene expression assays. We found that the four stereoisomers of the SL analog GR24 had similar activities to their deoxystrigolactone counterparts. The results suggest that AtD14 and KAI2 exhibit selectivity to the butenolide D ring in the 2'R and 2'S configurations, respectively. However, we found, for nitrile-debranone (CN-debranone, a simple SL analog), that the 2'R configuration is inactive but that the 2'S configuration is active through both AtD14 and KAI2. Our results support the conclusion that KAI2-dependent signaling does not respond to canonical SLs. Furthermore, racemic mixtures of chemically synthesized SLs and their analogs, such as GR24, should be used with caution because they can activate responses that are not specific to naturally occurring SLs. In contrast, the use of specific stereoisomers might provide valuable information about the specific perception systems operating in different plant tissues, parasitic weed seeds, and arbuscular mycorrhizae.

Significance Strigolactone hormones regulate many plant growth and developmental processes and are particularly important in regulating growth in response to nonoptimal conditions. Plants produce a range of bioactive strigolactone-like compounds, suggesting that the biosynthesis pathway is complex. Despite this complexity, only one type of enzyme, the MORE AXILLARY GROWTH1 (MAX1) cytochrome P450, has been attributed to the diversity of strigolactones. Using transcriptomics and reverse genetics, we discovered a previously uncharacterized gene that encodes a 2-oxoglutarate and Fe(II)-dependent dioxygenase involved in strigolactone production downstream of MAX1. Studies with the corresponding mutant have shown that previously identified strigolactone-type compounds in Arabidopsis are not the major strigolactone-type shoot branching hormone in this model species.

Abstract It has been known for centuries that cats respond euphorically to Nepeta cataria (catnip). Recently, we have shown that Lonicera tatarica (Tatarian honeysuckle), Actinidia polygama (silver vine) and Valeriana officinalis (valerian) can also elicit this “catnip response”. The aim of this study was to learn if the behavior seen in response to these plants is similar to the response to catnip. Furthermore, we studied if these responses are fixed or if there are differences between cats. While nepetalactone was identified decades ago as the molecule responsible for the “catnip response”, we know that this volatile is found almost exclusively in catnip. Therefore, we also aimed to identify other compounds in these alternative plants that can elicit the blissful behavior in cats. Bioassays with 6 cats were performed in a stress-free environment, where 6 plants and 13 single compounds were each tested for at least 100 and 17 hours, respectively. All responses were video recorded and BORIS software was used to analyze the cats’ behavior. Both response duration and behavior differed significantly between the cats. While individual cats had preferences for particular plants, the behavior of individual cats was consistent among all plants. About half a dozen lactones similar in structure to nepetalactone were able to elicit the “catnip response”, as were the structurally more distinct molecules actinidine and dihydroactinidiolide. Most cats did not respond to actinidine, whereas those who did, responded longer to this volatile than any of the other secondary plant metabolites, and different behavior was observed. Interestingly, dihydroactinidiolide was also found in excretions and secretions of the red fox, making this the first report of a compound produced by a mammal, that can elicit the “catnip response”. A range of different cat-attracting compounds was detected by chemical analysis of plant materials but differences in cat behavior could not be directly related to differences in chemical composition of the plants. Together with among other results of habituation / dishabituation experiments, this indicates that additional cat-attracting compounds may be present in the plant materials that remain to be discovered. Collectively, these findings suggest that both the personality of the cat and genetic variation in the genes encoding olfactory receptors may play a role in how cats respond to cat-attracting plants. Furthermore, the data suggest a potential distinct mechanism of action for actinidine.

Wildfires can encourage the establishment of invasive plants by releasing potent germination stimulants, such as karrikins. Seed germination of Brassica tournefortii , a noxious weed of Mediterranean climates, is strongly stimulated by KAR1, which is the archetypal karrikin produced from burning vegetation. In contrast, the closely-related yet non-fire-associated ephemeral Arabidopsis thaliana is unusual because it responds preferentially to KAR2. The α/β-hydrolase KARRIKIN INSENSITIVE2 (KAI2) is the putative karrikin receptor identified in Arabidopsis . Here we show that B. tournefortii differentially expresses three KAI2 homologues, and the most highly-expressed homologue is sufficient to confer enhanced responses to KAR1 relative to KAR2 when expressed in Arabidopsis . We further identify two variant amino acid residues near the KAI2 active site that explain the ligand selectivity, and show that this combination has arisen independently multiple times within dicots. Our results suggest that duplication and diversification of KAI2 proteins could confer upon weedy ephemerals and potentially other angiosperms differential responses to chemical cues produced by environmental disturbance, including fire.