Abstract The plant cell wall is a dynamic and complex structure whose functional integrity is constantly being monitored and maintained during development and interactions with the environment. In response to cell wall damage (CWD), putatively compensatory responses, such as lignin production, are initiated. In this context, lignin deposition could reinforce the cell wall to maintain functional integrity. Lignin is important for the plant’s response to environmental stress, for reinforcement during secondary cell wall formation, and for long-distance water transport. Here, we identify two stages and several components of a genetic network that regulate CWD-induced lignin production in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). During the early stage, calcium and diphenyleneiodonium-sensitive reactive oxygen species (ROS) production are required to induce a secondary ROS burst and jasmonic acid (JA) accumulation. During the second stage, ROS derived from the NADPH oxidase RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG D and JA-isoleucine generated by JASMONIC ACID RESISTANT1, form a negative feedback loop that can repress each other’s production. This feedback loop in turn seems to influence lignin accumulation. Our results characterize a genetic network enabling plants to regulate lignin biosynthesis in response to CWD through dynamic interactions between JA and ROS.

ABSTRACT In eukaryotes, the nuclear envelope (NE) encloses chromatin and separates it from the rest of the cell. The Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton (LINC) complex physically bridges across the NE, linking nuclear and cytoplasmic components. In plants, these LINC complexes are beginning to be ascribed roles in cellular and nuclear functions, including chromatin organization, regulation of nuclei shape and movement, and cell division. Homologs of core LINC components, KASH and SUN proteins, have previously been identified in maize. Here, we characterized the presumed LINC-associated maize nucleoskeletal proteins NCH1 and NCH2, homologs of members of the plant NMCP/CRWN family, and MKAKU41, homologous to AtKAKU4. All three proteins localized to the nuclear periphery when transiently and heterologously expressed as fluorescent protein fusions in Nicotiana benthamiana . Overexpression of MKAKU41 caused dramatic changes in the organization of the nuclear periphery, including nuclear invaginations that stained positive for non-nucleoplasmic markers of the inner and outer NE, and the ER. The severity of these invaginations was altered by changes in LINC connections and the actin cytoskeleton. In maize, MKAKU41 appeared to share genetic functions with other LINC components, including control of nuclei shape, stomatal complex development, and pollen viability. Overall, our data show that NCH1, NCH2, and MKAKU41 have characteristic properties of LINC-associated plant nucleoskeletal proteins, including interactions with NE components suggestive of functions at the nuclear periphery that impact the overall nuclear architecture.

Abstract The plant secretory pathway is responsible for the production of the majority of proteins and carbohydrates consumed on the planet. The early secretory pathway is composed of Golgi bodies and the endoplasmic reticulum (ER) and is highly mobile in plants with rapid remodelling of the ER network. The dynamics of the ER and Golgi bodies is driven by the actin cytoskeleton and myosin motor proteins play a key role in this. However, exactly how myosin motor proteins drive remodelling in plants is currently a contentious issue. Here, using a combination of live cell microscopy and over-expression of non-functional myosins we demonstrate that myosin motor proteins drive actin filament sliding and subsequently the dynamics of the secretory pathway. Summary In plants, the actin cytoskeleton and myosins are fundamental for normal dynamics of the endomembrane system and cytoplasmic streaming. We demonstrate that this is in part due to myosin driven sliding of actin filaments within a bundle. This generates, at least in part, the motive force required for cell dynamics in planta .

The linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complex is an essential multi-protein structure spanning the eukaryotic nuclear envelope. The LINC complex functions to maintain nuclear architecture, positioning, and mobility, along with specialized functions in meiotic prophase and chromosome segregation. Members of the LINC complex were recently identified in maize, an important scientific and agricultural grass species. Here we characterized Maize LINC KASH AtSINE-like2 , MLKS2 , which encodes a highly conserved SINE-group plant KASH protein with characteristic N-terminal armadillo repeats (ARM). Using a heterologous expression system, we showed that actively expressed GFP-MLKS2 is targeted to the nuclear periphery and colocalizes with F-actin and the endoplasmic reticulum, but not microtubules in the cell cortex. Expression of GFP-MLKS2, but not GFP-MLKS2ΔARM, resulted in nuclear anchoring. Genetic analysis of transposon-insertion mutations, mlks2-1 and mlks2-2 , showed that the mutant phenotypes were pleiotropic, affecting root hair nuclear morphology, stomatal complex development, multiple aspects of meiosis, and pollen viability. In male meiosis, the mutants showed defects for bouquet-stage telomere clustering, nuclear repositioning, perinuclear actin accumulation, dispersal of late prophase bivalents, and meiotic chromosome segregation. These findings support a model in which the nucleus is connected to cytoskeletal F-actin through the ARM-domain, predicted alpha solenoid structure of MLKS2. Functional conservation of MLKS2 was demonstrated through genetic rescue of the misshapen nuclear phenotype of an Arabidopsis (triple- WIP ) KASH mutant. This study establishes a role for the SINE-type KASH proteins in affecting the dynamic nuclear phenomena required for normal plant growth and fertility.* FRAP : Fluorescence recovery after photobleaching DPI : Days post infiltration OD : Optical density MLKS2 : Maize LINC KASH AtSINE-like2 LINC : Linker of nucleoskeleton and cytoskeleton NE : Nuclear envelope INM : Inner nuclear membrane ONM : Outer nuclear membrane

Plant plasma-membrane (PM) proteins are involved in several vital processes, such as detection of pathogens, solute transport and cellular signalling. Recent models suggest that for these proteins to function effectively there needs to be structure within the PM allowing, for example, proteins in the same signalling cascade to be spatially organized. Here we demonstrate that several proteins with divergent functions are located in clusters of differing size in the membrane using sub-diffraction-limited Airyscan confocal microscopy. In addition, single particle tracking reveals that these proteins move at different rates within the membrane. We show that the actin and microtubule cytoskeletons appear to significantly regulate the mobility of one of these proteins (the pathogen receptor FLS2) and we further demonstrate that the cell wall is critical for the regulation of cluster size by affecting single particle dynamics of two proteins with key roles in morphogenesis (PIN3) and pathogen perception (FLS2). We propose a model in which the cell wall and cytoskeleton are pivotal for differentially regulating protein cluster size and dynamics thereby contributing to the formation and functionality of membrane nanodomains.

Plant cells are surrounded by walls, which must often meet opposing functional requirements during plant growth and defense. The cells meet them by modifying wall structure and composition in a tightly controlled and adaptive manner. The modifications seem to be mediated by a dedicated cell wall integrity (CWI) maintenance mechanism. Currently the mode of action of the mechanism is not understood and it is unclear how its activity is coordinated with established plant defense signaling. We investigated responses to induced cell wall damage (CWD) impairing CWI and the underlying mechanism in Arabidopsis thaliana. Interestingly inhibitor- and enzyme-derived CWD induced similar, turgor-sensitive stress responses. Genetic analysis showed that the receptor-like kinase (RLK) FEI2 and the mechano-sensitive, plasma membrane-localized Ca2+- channel MCA1 function downstream of the THE1 RLK in CWD perception. Phenotypic clustering with 27 genotypes identified a core group of RLKs and ion channels, required for activation of CWD responses. By contrast, the responses were repressed by pattern-triggered immune (PTI) signaling components including PEPR1 and 2, the receptors for the immune signaling peptide AtPep1. Interestingly AtPep1 application repressed CWD-induced phytohormone accumulation in a PEPR1/2-dependent manner. These results suggest that PTI suppresses CWD-induced defense responses through elicitor peptide-mediated signaling during defense response activation. If PTI is impaired, the suppression of CWD-induced responses is alleviated, thus compensating for defective PTI.

The LINC (Linker of Nucleoskeleton to Cytoskeleton) complex serves as an essential multi-protein structure spanning the nuclear envelope. It connects the cytoplasm to the nucleoplasm and functions to maintain nuclear shape and architecture, as well as regulates chromosome dynamics during mitosis and meiosis. Knowledge of LINC complex composition and function in the plant kingdom is relatively limited, especially in the monocots which include the cereal grains and other grass species. We identified and classified 22 genes encoding candidate LINC complex and associated proteins in maize through bioinformatic and biochemical approaches. Representative KASH candidates were functionally validated in one or more assays including nuclear envelope localization, native or heterologous co-immunoprecipitation with antisera for ZmSUN2, and fluorescence recovery after photobleaching. These findings support a summary working model of the entire maize LINC and associated proteins complex with components found to be conserved across eukaryotes, unique to plants, or highly divergent and grass-specific. This model contributes a new experimental system for the cell biology of the nuclear envelope and new opportunities for future studies of the LINC complex in a model crop species.