Reactive oxygen species produced by RBOHD mediate rapid, long-distance stress signals in plants.

Systemic signaling pathways enable multicellular organisms to prepare all of their tissues and cells to an upcoming challenge that may initially only be sensed by a few local cells. They are activated in plants in response to different stimuli including mechanical injury, pathogen infection, and abiotic stresses. Key to the mobilization of systemic signals in higher plants are cell-to-cell communication events that have thus far been mostly unstudied. The recent identification of systemically propagating calcium (Ca(2+)) and reactive oxygen species (ROS) waves in plants has unraveled a new and exciting cell-to-cell communication pathway that, together with electric signals, could provide a working model demonstrating how plant cells transmit long-distance signals via cell-to-cell communication mechanisms. Here, we summarize recent findings on the ROS and Ca(2+) waves and outline a possible model for their integration.

Abstract Reactive oxygen species (ROS) play a key signaling role in plants and are controlled in cells by a complex network of ROS metabolizing enzymes found in several different cellular compartments. To study how different ROS signals, generated in different cellular compartments, are integrated in cells, we generated a double mutant lacking thylakoid ascorbate peroxidase (tylapx) and cytosolic ascorbate peroxidase1 (apx1). Our analysis suggests that two different signals are generated in plants lacking cytosolic APX1 or tylAPX. The lack of a chloroplastic hydrogen peroxide removal enzyme triggers a specific signal in cells that results in enhanced tolerance to heat stress, whereas the lack of a cytosolic hydrogen peroxide removal enzyme triggers a different signal, which results in stunted growth and enhanced sensitivity to oxidative stress. When the two signals are coactivated in cells (i.e. tylapx/apx1), a new response is detected, suggesting that the integration of the two different signals results in a new signal that manifests in late flowering, low protein oxidation during light stress, and enhanced accumulation of anthocyanins. Our results demonstrate a high degree of plasticity in ROS signaling in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) and suggest the existence of redundant pathways for ROS protection that compensate for the lack of classical ROS removal enzymes such as cytosolic and chloroplastic APXs. Further investigation of the enhanced heat tolerance in plants lacking tylAPX, using mutants deficient in chloroplast-to-nuclei retrograde signaling, suggests the existence of a chloroplast-generated stress signal that enhances basal thermotolerance in plants.

Abstract Being sessile organisms, plants evolved sophisticated acclimation mechanisms to cope with abiotic challenges in their environment. These are activated at the initial site of exposure to stress, as well as in systemic tissues that have not been subjected to stress (termed systemic acquired acclimation [SAA]). Although SAA is thought to play a key role in plant survival during stress, little is known about the signaling mechanisms underlying it. Here, we report that SAA in plants requires at least two different signals: an autopropagating wave of reactive oxygen species (ROS) that rapidly spreads from the initial site of exposure to the entire plant and a stress-specific signal that conveys abiotic stress specificity. We further demonstrate that SAA is stress specific and that a temporal–spatial interaction between ROS and abscisic acid regulates rapid SAA to heat stress in plants. In addition, we demonstrate that the rapid ROS signal is associated with the propagation of electric signals in Arabidopsis thaliana. Our findings unravel some of the basic signaling mechanisms underlying SAA in plants and reveal that signaling events and transcriptome and metabolome reprogramming of systemic tissues in response to abiotic stress occur at a much faster rate than previously envisioned.

Abstract Cells sense, manipulate and respond to their mechanical microenvironment in a plethora of physiological processes, yet the understanding of how cells transmit, receive and interpret environmental cues to communicate with distant cells is severely limited due to lack of tools to quantitatively infer the complex tangle of dynamic cell-cell interactions in complicated environments. We present a computational method to systematically infer and quantify long-range cell-cell force transmission through the extracellular matrix (cell-ECM-cell communication) by correlating ECM remodeling fluctuations in between communicating cells and demonstrating that these fluctuations contain sufficient information to define unique signatures that robustly distinguish between different pairs of communicating cells. We demonstrate our method with finite element simulations and live 3D imaging of fibroblasts and cancer cells embedded in fibrin gels. While previous studies relied on the formation of a visible fibrous ‘band’ extending between cells to inform on mechanical communication, our method detected mechanical propagation even in cases where visible bands never formed. We revealed that while contractility is required, band formation is not necessary, for cell-ECM-cell communication, and that mechanical signals propagate from one cell to another even upon massive reduction in their contractility. Our method sets the stage to measure the fundamental aspects of intercellular long-range mechanical communication in physiological contexts and may provide a new functional readout for high content 3D image-based screening. The ability to infer cell-ECM-cell communication using standard confocal microscopy holds the promise for wide use and democratizing the method.

Summary Climate change has created an environment where heat stress conditions are becoming more frequent as temperatures continue to rise in crop production areas around the world. This situation leads to decreased crop production due to plant sensitivity to heat stress. Reproductive success is critically dependent on plants’ ability to produce functional pollen grains, which are the most thermo-sensitive tissue. Flavonols are plant secondary metabolites known for their potent antioxidative activity, essential for male fertility in several species including tomato, and implicated in heat stress tolerance. Since flavonols are highly abundant in fruits of the tomato high pigment-2 ( hp2 ) mutant, we tested the level of flavonols in pollen of this mutant, under the hypothesis that increased accumulation of flavonols would render pollen more tolerant to heat stress. Indeed, pollen from three alleles of the hp2 mutant were found to have flavonols levels increased by 40% on average compared with wild-type under moderate chronic heat stress conditions. This mutant produced on average 7.8-fold higher levels of viable pollen and displayed better germination competence under heat stress conditions. The percentage of fully seeded fruits and the number of seeds per fruit were maintained in the mutant under heat stress conditions while decreased in wild-type plants. Our results strongly suggest that increased pollen flavonols content enhances pollen thermotolerance and reproductive success under heat stress conditions. Thus, the high flavonols trait may help frame the model for improving crop resilience to heat stress.

ABSTRACT The male gametophyte is the most heat-sensitive of all plant tissues. In recent years, long noncoding RNAs (lncRNAs) have emerged as important components of cellular regulatory networks involved in most biological processes, including response to stress. While examining RNAseq datasets of developing and germinating Arabidopsis thaliana pollen exposed to heat stress (HS), we identified 66 novel and 246 recently-annotated intergenic expressed loci (XLOCs) of unknown function, with the majority encoding lncRNAs. Comparison to HS in cauline leaves and other RNAseq experiments, indicated 74% of the 312 XLOCs are pollen-specific, and at least 42% are HS-responsive. Phylogenetic analysis revealed 96% of the genes evolved recently in Brassicaceae . We found that 50 genes are putative targets of microRNAs, and that 30% of the XLOCs contain small open reading frames (ORFs) with homology to protein sequences. Finally, RNAseq of ribosome-protected RNA fragments together with predictions of periodic footprint of the ribosome P-sites indicated that 23 of these ORFs are likely to be translated. Our findings indicate that many of the 312 unknown genes might be functional, and play significant role in pollen biology, including the HS response.