Salicylic acid (SA) is a defense hormone required for both local and systemic acquired resistance (SAR) in plants. Pathogen infections induce SA synthesis through up-regulating the expression of Isochorismate Synthase 1 ( ICS1 ), which encodes a key enzyme in SA production. Here we report that both SAR Deficient 1 (SARD1) and CBP60g are key regulators for ICS1 induction and SA synthesis. Whereas knocking out SARD1 compromises basal resistance and SAR, overexpression of SARD1 constitutively activates defense responses. In the sard1-1 cbp60g-1 double mutant, pathogen-induced ICS1 up-regulation and SA synthesis are blocked in both local and systemic leaves, resulting in compromised basal resistance and loss of SAR. Electrophoretic mobility shift assays showed that SARD1 and CBP60g represent a plant-specific family of DNA-binding proteins. Both proteins are recruited to the promoter of ICS1 in response to pathogen infections, suggesting that they control SA synthesis by regulating ICS1 at the transcriptional level.

Upon recognition of bacterial flagellin, the plant receptor FLS2 heterodimerizes with brassinosteroid insensitive 1-associated receptor kinase 1 (BAK1) and activates plant defense responses. Because constitutive activation of defense responses is detrimental, plant resistance signaling pathways must be negatively controlled, although the mechanisms involved are unclear. We identified Arabidopsis BIR1 as a BAK1-interacting receptor-like kinase. Knocking out BIR1 leads to extensive cell death, activation of constitutive defense responses, and impairment in the activation of MPK4, a negative regulator of plant resistance (R) protein signaling, by flagellin. sobir1-1, a mutant obtained in a screen for suppressors of the bir1-1 phenotype, rescued cell death observed in bir1-1. SOBIR1 encodes another receptor-like kinase whose overexpression activates cell death and defense responses. Our data suggest that BIR1 negatively regulates multiple plant resistance signaling pathways, one of which is the SOBIR1-dependent pathway identified here.

Abstract Plant immune responses are mainly activated by two types of receptors. Plasma membrane-localized pattern recognition receptors (PRRs) recognize conserved features of microbes, and intracellular nucleotide-binding leucine rich repeat receptors (NLRs) recognize effector proteins from pathogens. NLRs possessing N-terminal Toll/interleukin-1 receptor (TIR) domains (TNLs) activate two parallel signaling pathways via the EDS1/PAD4/ADR1s and the EDS1/SAG101/NRG1s modules. The relationship between PRR-mediated pattern-triggered immunity (PTI) and TIR signaling is unclear. Here we report that activation of TIR signaling plays a key role in PTI. Blocking TIR signaling by knocking out components of the EDS1/PAD4/ADR1s and EDS1/SAG101/NRG1s modules results in attenuated PTI responses such as reduced salicylic acid (SA) levels and expression of defense genes, and compromised resistance against pathogens. Consistently, PTI is attenuated in transgenic plants that have reduced accumulation of NLRs. Upon treatment with PTI elicitors such as flg22 and nlp20, a large number of genes encoding TNLs or TIR domain-containing proteins are rapidly induced, likely responsible for activating TIR signaling during PTI. In support, overexpression of some of these genes results in activation of defense responses. Overall, our study reveals that TIR signaling activation is an important mechanism for boosting plant defense during PTI.

Heterotrimeric G-proteins are important transducers of receptor signaling, functioning in plants with CLAVATA receptors in control of shoot meristem size, and with pathogen associated molecular pattern (PAMP) receptors in basal immunity. However, whether specific members of the heterotrimeric complex potentiate crosstalk between development and defense, and the extent to which these functions are conserved across species, has not been addressed. Here we used CRISPR/Cas9 to knockout the maize Gβ subunit gene, and found that the mutants were lethal, differing from Arabidopsis, where homologous mutants have normal growth and fertility. We show that lethality is not caused by a specific developmental arrest, but by autoimmunity. We used a genetic diversity screen to suppress the lethal gβ phenotype, and also identified a new maize Gβ allele with weak autoimmune responses but strong development phenotypes. Using these tools, we show that Gβ controls meristem size in maize, acting epistatically with Gα, suggesting that Gβ and Gα function in a common signaling complex. Furthermore, we used an association study to show that natural variation in Gβ influences maize kernel row number, an important agronomic trait. Our results demonstrate the dual role of Gβ in immunity and development in a cereal crop, and suggest that it functions in crosstalk between these competing signaling networks. Therefore, modification of Gβ has the potential to optimize the tradeoff between growth and defense signaling to improve agronomic production.

Abstract Meristems contain groups of indeterminate stem cells that are critical for organ initiation throughout plant development. The shoot apical meristem (SAM) maintains itself and initiates all shoot organs, such as leaves, floral organs and axillary branch meristems. Development and balanced proliferation of the SAM is regulated by a feedback loop between CLAVATA ( CLV ) and WUSCHEL ( WUS ) signaling. CLV signaling is initiated by secretion of the CLV3 peptide ligand, which is perceived directly or indirectly by a number of Leucine-Rich-Repeat (LRR) receptor-like kinases, including CLV1 and BARELY ANY MERISTEM (BAM) 1-3, and RECEPTOR-LIKE PROTEIN KINASE 2 (RPK2), as well as the receptor-like protein CLV2 in a complex with the CORYNE (CRN) pseudokinase. However, CLV2, and its maize ortholog FASCIATED EAR2 (FEA2) appear to function in signaling by several related CLV3/EMBRYO-SURROUNDING REGION (CLE) peptide ligands, including CLV3. Nevertheless, it remains unknown how CLV2 or FEA2 transmit specific signals from distinct CLE peptides. Here we show that FEA2 is involved in signaling from at least 2 distinct CLE peptides, ZmCLE7, a maize CLV3 ortholog, and ZmFON2-LIKE CLE PROTEIN1 (ZmFCP1), a newly identified CLE peptide functioning in SAM regulation. Signaling from these 2 different CLE peptides appears to be transmitted through 2 different candidate downstream effectors, COMPACT PLANT2 (CT2), the alpha subunit of the maize heterotrimeric G protein, and maize CRN. Our data provide a novel framework to understand how diverse signaling peptides can activate different downstream pathways through common receptor proteins.