Beneficial microbes in the microbiome of plant roots improve plant health. Induced systemic resistance (ISR) emerged as an important mechanism by which selected plant growth–promoting bacteria and fungi in the rhizosphere prime the whole plant body for ...Read More

Inducible defensive responses in plants are known to be activated locally and systemically by signaling molecules that are produced at sites of pathogen or insect attacks, but only one chemical signal, ethylene, is known to travel through the atmosphere to activate plant defensive genes. Methyl jasmonate, a common plant secondary compound, when applied to surfaces of tomato plants, induces the synthesis of defensive proteinase inhibitor proteins in the treated plants and in nearby plants as well. The presence of methyl jasmonate in the atmosphere of chambers containing plants from three species of two families, Solanaceae and Fabaceae, results in the accumulation of proteinase inhibitors in leaves of all three species. When sagebrush, Artemisia tridentata, a plant shown to possess methyl jasmonate in leaf surface structures, is incubated in chambers with tomato plants, proteinase inhibitor accumulation is induced in the tomato leaves, demonstrating that interplant communication can occur from leaves of one species of plant to leaves of another species to activate the expression of defensive genes.

Wounding of the leaves of potato or tomato plants by adult Colorado potato beetles, or their larvae, induces a rapid accumulation of a proteinase inhibitor throughout the plants' tissues that are exposed to air. This effect of insect damage can be simulated by mechanically wounding the leaves. The transport of a factor out of damaged leaves takes place rapidly after the wound is inflicted and the levels of proteinase inhibitor, in both damaged and adjacent leaves, rises strikingly within a few hours. The rapid accumulation of a powerful inhibitor of major intestinal proteinases of animals in response to wounding of the leaves is probably a defense mechanism.

Defensive genes in plants can be activated by several different types of nonpeptide signaling molecules. An endogenous polypeptide, consisting of 18 amino acids, was isolated from tomato leaves and was able at very low concentrations to induce the synthesis of two wound-inducible proteinase inhibitor proteins when supplied to young tomato plants. The sequence of the polypeptide was determined, and an identical polypeptide was synthesized that possessed full inducing activity. These data establish that a polypeptide factor can initiate signal transduction to regulate the synthesis of defensive proteins in plant tissues.

Jasmonic acid and methyl jasmonate have been shown previously to be powerful inducers of proteinase inhibitors in tomato, tobacco, and alfalfa leaves. We show here that when proposed octadecanoid precursors of jasmonic acid, i.e., linolenic acid, 13(S)-hydroperoxylinolenic acid, and phytodienoic acid, were applied to the surfaces of tomato leaves, these compounds also served as powerful inducers of proteinase inhibitor I and II synthesis, a simulation of a wound response. By contrast, compounds closely related to the precursors but which are not intermediates in the jasmonic acid biosynthetic pathway did not induce proteinase inhibitor synthesis. These results suggest that the octadecanoid intermediates may participate in a lipid-based signaling system that activates proteinase inhibitor synthesis in response to insect and pathogen attack.

The systemic accumulation of both hydrogen peroxide (H(2)O(2)) and proteinase inhibitor proteins in tomato leaves in response to wounding was inhibited by the NADPH oxidase inhibitors diphenylene iodonium (DPI), imidazole, and pyridine. The expression of several defense genes in response to wounding, systemin, oligosaccharides, and methyl jasmonate also was inhibited by DPI. These genes, including those of four proteinase inhibitors and polyphenol oxidase, are expressed within 4 to 12 hr after wounding. However, DPI did not inhibit the wound-inducible expression of genes encoding prosystemin, lipoxygenase, and allene oxide synthase, which are associated with the octadecanoid signaling pathway and are expressed 0.5 to 2 hr after wounding. Accordingly, treatment of plants with the H(2)O(2)-generating enzyme glucose oxidase plus glucose resulted in the induction of only the later-expressed defensive genes and not the early-expressed signaling-related genes. H(2)O(2) was cytochemically detected in the cell walls of vascular parenchyma cells and spongy mesophyll cells within 4 hr after wounding of wild-type tomato leaves, but not earlier. The cumulative results suggest that active oxygen species are generated near cell walls of vascular bundle cells by oligogalacturonide fragments produced by wound-inducible polygalacturonase and that the resulting H(2)O(2) acts as a second messenger for the activation of defense genes in mesophyll cells. These data provide a rationale for the sequential, coordinated, and functional roles of systemin, jasmonic acid, oligogalacturonides, and H(2)O(2) signals for systemic signaling in tomato plants in response to wounding.

Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) generated in response to wounding can be detected at wound sites and in distal leaf veins within 1 hr after wounding. The response is systemic and maximizes at about 4–6 hr in both wounded and unwounded leaves, and then declines. The timing of the response corresponds with an increase in wound-inducible polygalacturonase (PG) mRNA and enzyme activity previously reported, suggesting that oligogalacturonic acid (OGA) fragments produced by PG are triggering the H 2 O 2 response. Systemin, OGA, chitosan, and methyl jasmonate (MJ) all induce the accumulation of H 2 O 2 in leaves. Tomato plants transformed with an antisense prosystemin gene produce neither PG activity or H 2 O 2 in leaves in response to wounding, implicating systemin as a primary wound signal. The antisense plants do produce both PG activity and H 2 O 2 when supplied with systemin, OGA, chitosan, or MJ. A mutant tomato line compromised in the octadecanoid pathway does not exhibit PG activity or H 2 O 2 in response to wounding, systemin, OGA, or chitosan, but does respond to MJ, indicating that the generation of H 2 O 2 requires a functional octadecanoid signaling pathway. Among 18 plant species from six families that were assayed for wound-inducible PG activity and H 2 O 2 generation, 14 species exhibited both wound-inducible PG activity and the generation of H 2 O 2 . Four species, all from the Fabaceae family, exhibited little or no wound-inducible PG activity and did not generate H 2 O 2 . The time course of wound-inducible PG activity and H 2 O 2 in Arabidopsis thaliana leaves was similar to that found in tomato. The cumulative data suggest that systemic wound signals that induce PG activity and H 2 O 2 are widespread in the plant kingdom and that the response may be associated with the defense of plants against both herbivores and pathogens.

Innate immunity is initiated in animals and plants through the recognition of a variety of pathogen-associated molecules that in animals are called pathogen-associated molecular patterns and in plants are called elicitors. Some plant pathogen-derived elicitors have been identified as peptides, but peptide elicitors derived from the plant itself that activate defensive genes against pathogens have not been previously identified. Here, we report the isolation and characterization of a 23-aa peptide from Arabidopsis , called At Pep1, which activates transcription of the defensive gene defensin ( PDF1.2 ) and activates the synthesis of H 2 O 2 , both being components of the innate immune response. The peptide is derived from a 92-aa precursor encoded within a small gene that is inducible by wounding, methyl jasmonate, and ethylene. Constitutive expression of the At Pep1 precursor gene PROPEP1 in transgenic Arabidopsis plants causes a constitutive transcription of PDF1.2 . When grown in soil, the transgenic plants exhibited an increased root development compared with WT plants and an enhanced resistance toward the root pathogen Pythium irregulare . Six paralogs of PROPEP1 are present in Arabidopsis , and orthologs have been identified in species of several agriculturally important plant families, where they are of interest for their possible use in crop improvement.

Salicylic acid (SA) and acetylsalicylic acid (ASA), previously shown to inhibit proteinase inhibitor synthesis induced by wounding, oligouronides (H.M. Doherty, R.R. Selvendran, D.J. Bowles [1988] Physiol Mol Plant Pathol 33: 377-384), and linolenic acid (H. Pena-Cortes, T. Albrecht, S. Prat, E.W. Weiler, L. Willmitzer [1993] Planta 191: 123-128), are shown here to be potent inhibitors of systemin-induced and jasmonic acid (JA)-induced synthesis of proteinase inhibitor mRNAs and proteins. The inhibition by SA and ASA of proteinase inhibitor synthesis induced by systemin and JA, as well as by wounding and oligosaccharide elicitors, provides further evidence that both oligosaccharide and polypeptide inducer molecules utilize the octadecanoid pathway to signal the activation of proteinase inhibitor genes. Tomato (Lycopersicon esculentum) leaves were pulse labeled with [35S]methionine, followed by sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis, and the inhibitory effects of SA are shown to be specific for the synthesis of a small number of JA-inducible proteins that includes the proteinase inhibitors. Previous results have shown that SA inhibits the conversion of 13S-hydroperoxy linolenic acid to 12-oxo-phytodienoic acid, thereby inhibiting the signaling pathway by blocking synthesis of JA. Here we report that the inhibition of synthesis of proteinase inhibitor proteins and mRNAs by SA in both light and darkness also occurs at a step in the signal transduction pathway, after JA synthesis but preceding transcription of the inhibitor genes.

Jasmonic acid, synthesized from linolenic acid (the octadecanoid pathway), has been proposed to be part of a signal transduction pathway that mediates the induction of defensive genes in plants in response to oligouronide and polypeptide signals generated by insect and pathogen attacks. We report here that the induction of proteinase inhibitor accumulation in tomato leaves by plant-derived oligogalacturonides and fungal-derived chitosan oligosaccharides is severely reduced by two inhibitors (salicylic acid and diethyldi-thiocarbamic acid) of the octadecanoid pathway, supporting a role for the pathway in signaling by oligosaccharides. Jasmonic acid levels in leaves of tomato plants increased several fold within 2 hr after supplying the polypeptide systemin, oligogalacturonides, or chitosan to the plants through their cut stems, as expected if they utilize the octadecanoid pathway. The time course of jasmonic acid accumulation in tomato leaves in response to wounding was consistent with its proposed role in signaling proteinase inhibitor mRNA and protein synthesis. The cumulative evidence supports a model for the activation of defensive genes in plants in response to insect and pathogen attacks in which various elicitors generated at the attack sites activate the octadecanoid pathway via different recognition events to induce the expression of defensive genes in local and distal tissues of the plants.