Abstract Trichoderma species belong to a class of free-living fungi beneficial to plants that are common in the rhizosphere. We investigated the role of auxin in regulating the growth and development of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) seedlings in response to inoculation with Trichoderma virens and Trichoderma atroviride by developing a plant-fungus interaction system. Wild-type Arabidopsis seedlings inoculated with either T. virens or T. atroviride showed characteristic auxin-related phenotypes, including increased biomass production and stimulated lateral root development. Mutations in genes involved in auxin transport or signaling, AUX1, BIG, EIR1, and AXR1, were found to reduce the growth-promoting and root developmental effects of T. virens inoculation. When grown under axenic conditions, T. virens produced the auxin-related compounds indole-3-acetic acid, indole-3-acetaldehyde, and indole-3-ethanol. A comparative analysis of all three indolic compounds provided detailed information about the structure-activity relationship based on their efficacy at modulating root system architecture, activation of auxin-regulated gene expression, and rescue of the root hair-defective phenotype of the rhd6 auxin response Arabidopsis mutant. Our results highlight the important role of auxin signaling for plant growth promotion by T. virens.

Abstract The postembryonic developmental program of the plant root system is plastic and allows changes in root architecture to adapt to environmental conditions such as water and nutrient availability. Among essential nutrients, phosphorus (P) often limits plant productivity because of its low mobility in soil. Therefore, the architecture of the root system may determine the capacity of the plant to acquire this nutrient. We studied the effect of P availability on the development of the root system in Arabidopsis. We found that at P-limiting conditions (<50 μm), the Arabidopsis root system undergoes major architectural changes in terms of lateral root number, lateral root density, and primary root length. Treatment with auxins and auxin antagonists indicate that these changes are related to an increase in auxin sensitivity in the roots of P-deprived Arabidopsis seedlings. It was also found that the axr1-3, axr2-1, and axr4-1 Arabidopsis mutants have normal responses to low P availability conditions, whereas the iaa28-1mutant shows resistance to the stimulatory effects of low P on root hair and lateral root formation. Analysis of ethylene signaling mutants and treatments with 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid showed that ethylene does not promote lateral root formation under P deprivation. These results suggest that in Arabidopsis, auxin sensitivity may play a fundamental role in the modifications of root architecture by P availability.

During the last 20 years increasing experimental evidence has associated organic acid metabolism with plant tolerance to environmental stress. Current knowledge shows that organic acids not only act as intermediates in carbon metabolism but also as key components in mechanisms that some plants use to cope with nutrient deficiencies, metal tolerance and plant-microbe interactions operating at the root-soil interphase. In this review we summarize recent knowledge on the physiology and occurrence of organic acids in plants and their special relevance concerning nitrate reduction, phosphorus and iron acquisition, aluminum tolerance and soil ecology. We also discuss novel findings in relation to the biotechnological manipulation of organic acids in transgenic models ranging from cell cultures to whole plants. This novel perspective of organic acid metabolism and its potential manipulation may represent a way to understand fundamental aspects of plant physiology and lead to new strategies to obtain crop varieties better adapted to environmental and mineral stress.

Abstract The survival of plants, as sessile organisms, depends on a series of postembryonic developmental events that determine the final architecture of plants and allow them to contend with a continuously changing environment. Modulation of cell differentiation and organ formation by environmental signals has not been studied in detail. Here, we report that alterations in the pattern of lateral root (LR) formation and emergence in response to phosphate (Pi) availability is mediated by changes in auxin sensitivity in Arabidopsis thaliana roots. These changes alter the expression of auxin-responsive genes and stimulate pericycle cells to proliferate. Modulation of auxin sensitivity by Pi was found to depend on the auxin receptor TRANSPORT INHIBITOR RESPONSE1 (TIR1) and the transcription factor AUXIN RESPONSE FACTOR19 (ARF19). We determined that Pi deprivation increases the expression of TIR1 in Arabidopsis seedlings and causes AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID (AUX/IAA) auxin response repressors to be degraded. Based on our results, we propose a model in which auxin sensitivity is enhanced in Pi-deprived plants by an increased expression of TIR1, which accelerates the degradation of AUX/IAA proteins, thereby unshackling ARF transcription factors that activate/repress genes involved in LR formation and emergence.

Plant biostimulants are formulated with diverse microorganisms and/or substances that are applied to crops with the aim of enhancing growth, development and adaptation to abiotic stress. Trichoderma-based products have been particularly successful because of their capacity to control phytopathogenic fungi. Some Trichoderma strains have a predominant biostimulant action that makes them unique for their extended use in horticulture. They are safe for humans, livestock and crop plants and in their natural environment colonize plant roots without apparent adverse reactions. Both solid and liquid formulations containing conidia can be used to produce suitable quantities of active and viable inocula during product formulation and field use. The mechanism of phytostimulation by Trichoderma involves multilevel communication with root and shoot systems, as it releases into the rhizosphere auxins, small peptides, volatiles and other active metabolites, which promote root branching and nutrient uptake capacity, thereby boosting plant growth and yield. Recent proteomic and genetic data suggest that Trichoderma activates the mitogen activated protein kinase 6, transcription factors and DNA processing proteins, which represent promising targets toward formulation of more efficient products.

When growing under limiting phosphate (P) conditions, Arabidopsis thaliana plants show dramatic changes in root architecture, including a reduction in primary root length, increased formation of lateral roots and greater formation of root hairs. Here we report that primary root growth inhibition by low P is caused by a shift from an indeterminate to a determinate developmental program. In the primary root, the low P-induced determinate growth program initiates with a reduction of cell elongation followed by the progressive loss of meristematic cells. At later stages, cell proliferation ceases and cell differentiation takes place at the former cell elongation and meristematic regions of the primary root. In low P, not only the primary but also almost all mature lateral roots enter the determinate developmental program. Kinetic studies of expression of the cell cycle marker CycB1;1:uidA and the quiescent center (QC) identity marker QC46:GUS showed that in low P conditions, reduction in proliferation in the primary root was preceded by alterations in the QC. These results suggest that in Arabidopsis, P limitation can induce a determinate root developmental program that plays an important role in altering root system architecture and that the QC could act as a sensor of environmental signals.

Soil microorganisms are critical players in plant-soil interactions at the rhizosphere. We have identified a Bacillus megaterium strain that promoted growth and development of bean (Phaseolus vulgaris) and Arabidopsis thaliana plants. We used Arabidopsis thaliana as a model to characterize the effects of inoculation with B. megaterium on plant-growth promotion and postembryonic root development. B. megaterium inoculation caused an inhibition in primary-root growth followed by an increase in lateral-root number, lateral-root growth, and root-hair length. Detailed cellular analyses revealed that primary root-growth inhibition was caused both by a reduction in cell elongation and by reduction of cell proliferation in the root meristem. To study the contribution of auxin and ethylene signaling pathways in the alterations in root-system architecture elicited by B. megaterium, a suite of plant hormone mutants of Arabidopsis, including aux1-7, axr4-1, eir1, etr1, ein2, and rhd6, defective in either auxin or ethylene signaling, were evaluated for their responses to inoculation with this bacteria. When inoculated, all mutant lines tested showed increased biomass production. Moreover, aux1-7 and eir1, which sustain limited root-hair and lateral-root formation when grown in uninoculated medium, were found to increase the number of lateral roots and to develop long root hairs when inoculated with B. megaterium. The ethylene-signaling mutants etr1 and ein2 showed an induction in lateral-root formation and root-hair growth in response to bacterial inoculation. Taken together, our results suggest that plant-growth promotion and root-architectural alterations by B. megaterium may involve auxin- and-ethylene independent mechanisms.

Summary Plants interact with root microbes via chemical signaling, which modulates competence or symbiosis. Although several volatile organic compounds ( VOC s) from fungi may affect plant growth and development, the signal transduction pathways mediating VOC sensing are not fully understood. 6‐pentyl‐2 H ‐pyran‐2‐one (6‐ PP ) is a major VOC biosynthesized by Trichoderma spp. which is probably involved in plant–fungus cross‐kingdom signaling. Using microscopy and confocal imaging, the effects of 6‐ PP on root morphogenesis were found to be correlated with DR5:GFP , DR5:VENUS , H2B::GFP , PIN1::PIN1::GFP , PIN2::PIN2::GFP , PIN3::PIN3::GFP and PIN7::PIN7::GFP gene expression. A genetic screen for primary root growth resistance to 6‐ PP in wild‐type seedlings and auxin‐ and ethylene‐related mutants allowed identification of genes controlling root architectural responses to this metabolite. Trichoderma atroviride produced 6‐ PP , which promoted plant growth and regulated root architecture, inhibiting primary root growth and inducing lateral root formation. 6‐ PP modulated expression of PIN auxin‐transport proteins in a specific and dose‐dependent manner in primary roots. TIR1 , AFB2 and AFB3 auxin receptors and ARF7 and ARF19 transcription factors influenced the lateral root response to 6‐ PP , whereas EIN2 modulated 6‐ PP sensing in primary roots. These results indicate that root responses to 6‐ PP involve components of auxin transport and signaling and the ethylene‐response modulator EIN 2 .

Abstract: Melatonin ( N ‐acetyl‐5‐methoxytryptamine) is a tryptophan‐derived signal with important physiological roles in mammals. Although the presence of melatonin in plants may be universal, its endogenous function in plant tissues is unknown. On the basis of its structural similarity to indole‐3‐acetic acid, recent studies mainly focusing on root growth in several plant species have suggested a potential auxin‐like activity of melatonin. However, direct evidence about the mechanisms of action of this regulator is lacking. In this work, we used Arabidopsis thaliana seedlings as a model system to evaluate the effects of melatonin on plant growth and development. Melatonin modulated root system architecture by stimulating lateral and adventitious root formation but minimally affected primary root growth or root hair development. The auxin activity of melatonin in roots was investigated using the auxin‐responsive marker constructs DR5:uidA, BA3:uidA, and HS::AXR3NT‐GUS . Our results show that melatonin neither activates auxin‐inducible gene expression nor induces the degradation of HS::AXR3NT‐GUS , indicating that root developmental changes elicited by melatonin were independent of auxin signaling. Taken together, our results suggest that melatonin is beneficial to plants by increasing root branching and that root development processes elicited by this novel plant signal are likely independent of auxin responses.

Microorganisms and their hosts communicate with each other through an array of signals. The plant hormone auxin (indole-3-acetic acid; IAA) is central in many aspects of plant development. Cyclodipeptides and their derivative diketopiperazines (DKPs) constitute a large class of small molecules synthesized by microorganisms with diverse and noteworthy activities. Here, we present genetic, chemical, and plant-growth data showing that in Pseudomonas aeruginosa , the LasI quorum-sensing (QS) system controls the production of three DKPs—namely, cyclo( l -Pro- l -Val), cyclo( l -Pro- l -Phe), and cyclo( l -Pro- l -Tyr)—that are involved in plant growth promotion by this bacterium. Analysis of all three bacterial DKPs in Arabidopsis thaliana seedlings provided detailed information indicative of an auxin-like activity, based on their efficacy at modulating root architecture, activation of auxin-regulated gene expression, and response of auxin-signaling mutants tir1 , tir1 afb2 afb3 , arf7 , arf19 , and arf7arf19 . The observation that QS-regulated bacterial production of DKPs modulates auxin signaling and plant growth promotion establishes an important function for DKPs mediating prokaryote/eukaryote transkingdom signaling.