We have isolated a codominant Arabidopsis mutant, radical-induced cell death1 (rcd1), in which ozone (O3) and extracellular superoxide (O2 •–), but not hydrogen peroxide, induce cellular O2 •– accumulation and transient spreading lesions. The cellular O2 •– accumulation is ethylene dependent, occurs ahead of the expanding lesions before visible symptoms appear, and is required for lesion propagation. Exogenous ethylene increased O2 •–-dependent cell death, whereas impairment of ethylene perception by norbornadiene in rcd1 or ethylene insensitivity in the ethylene-insensitive mutant ein2 and in the rcd1 ein2 double mutant blocked O2 •– accumulation and lesion propagation. Exogenous methyl jasmonate inhibited propagation of cell death in rcd1. Accordingly, the O3-exposed jasmonate-insensitive mutant jar1 displayed spreading cell death and a prolonged O2 •– accumulation pattern. These results suggest that ethylene acts as a promoting factor during the propagation phase of developing oxyradical-dependent lesions, whereas jasmonates have a role in lesion containment. Interaction and balance between these pathways may serve to fine-tune propagation and containment processes, resulting in alternate lesion size and formation kinetics.

Abstract In plants, reactive oxygen species and, more particularly, hydrogen peroxide (H2O2) play a dual role as toxic by-products of normal cell metabolism and as regulatory molecules in stress perception and signal transduction. Peroxisomal catalases are an important sink for photorespiratory H2O2. Using ATH1 Affymetrix microarrays, expression profiles were compared between control and catalase-deficient Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) plants. Reduced catalase levels already provoked differences in nuclear gene expression under ambient growth conditions, and these effects were amplified by high light exposure in a sun simulator for 3 and 8 h. This genome-wide expression analysis allowed us to reveal the expression characteristics of complete pathways and functional categories during H2O2 stress. In total, 349 transcripts were significantly up-regulated by high light in catalase-deficient plants and 88 were down-regulated. From this data set, H2O2 was inferred to play a key role in the transcriptional up-regulation of small heat shock proteins during high light stress. In addition, several transcription factors and candidate regulatory genes involved in H2O2 transcriptional gene networks were identified. Comparisons with other publicly available transcriptome data sets of abiotically stressed Arabidopsis revealed an important intersection with H2O2-deregulated genes, positioning elevated H2O2 levels as an important signal within abiotic stress-induced gene expression. Finally, analysis of transcriptional changes in a combination of a genetic (catalase deficiency) and an environmental (high light) perturbation identified a transcriptional cluster that was strongly and rapidly induced by high light in control plants, but impaired in catalase-deficient plants. This cluster comprises the complete known anthocyanin regulatory and biosynthetic pathway, together with genes encoding unknown proteins.

Transgenic tobacco deficient in the H 2 O 2 -removing enzyme catalase (Cat1AS) was used as an inducible and noninvasive system to study the role of H 2 O 2 as an activator of pathogenesis-related (PR) proteins in plants. Excess H 2 O 2 in Cat1AS plants was generated by simply increasing light intensities. Sustained exposure of Cat1AS plants to excess H 2 O 2 provoked tissue damage, stimulated salicylic acid and ethylene production, and induced the expression of acidic and basic PR proteins with a timing and magnitude similar to the hypersensitive response against pathogens. Salicylic acid production was biphasic, and the first peak of salicylic acid as well as the peak of ethylene occurred within the first hours of high light, which is long before the development of tissue necrosis. Under these conditions, accumulation of acidic PR proteins was also seen in upper leaves that were not exposed to high light, indicating systemic induction of expression. Short exposure of Cat1AS plants to excess H 2 O 2 did not cause damage, induced local expression of acidic and basic PR proteins, and enhanced pathogen tolerance. However, the timing and magnitude of PR protein induction was in this case more similar to that in upper uninfected leaves than to that in hypersensitive-response leaves of pathogen-infected plants. Together, these data demonstrate that sublethal levels of H 2 O 2 activate expression of acidic and basic PR proteins and lead to enhanced pathogen tolerance. However, rapid and strong activation of PR protein expression, as seen during the hypersensitive response, occurs only when excess H 2 O 2 is accompanied by leaf necrosis.

ABSTRACT N ‐acyl‐L‐homoserine lactone (AHL) signal molecules are utilized by Gram‐negative bacteria to monitor their population density (quorum sensing) and to regulate gene expression in a density‐dependent manner. We show that Serratia liquefaciens MG1 and Pseudomonas putida IsoF colonize tomato roots, produce AHL in the rhizosphere and increase systemic resistance of tomato plants against the fungal leaf pathogen, Alternaria alternata . The AHL‐negative mutant S. liquefaciens MG44 was less effective in reducing symptoms and A. alternata growth as compared to the wild type. Salicylic acid (SA) levels were increased in leaves when AHL‐producing bacteria colonized the rhizosphere. No effects were observed when isogenic AHL‐negative mutant derivatives were used in these experiments. Furthermore, macroarray and Northern blot analysis revealed that AHL molecules systemically induce SA‐ and ethylene‐dependent defence genes (i.e. PR1a, 26 kDa acidic and 30 kDa basic chitinase). Together, these data support the view that AHL molecules play a role in the biocontrol activity of rhizobacteria through the induction of systemic resistance to pathogens.

Leaf injury of the ozone-sensitive tobacco cultivar Bel W 3 caused by ozone treatments was prevented to a large extent by root application of putrescine, spermidine or spermine. The titres of soluble free and conjugated putrescine and spermidine were concomitantly increased two- to three-fold after putrescine or spermidine application. The amounts of putrescine and spermidine associated with cell wall or membrane pellet fractions were elevated four to six times above levels of control plants. In order to establish whether the protective effect of polyamines against ozone damage may be caused by their proposed radical scavenging properties, the reactivities of polyamines and putrescine conjugates towards hydroxyl, tert-butoxyl, sulphite radicals and superoxide anions were determined. Free polyamines showed relatively low rate constants with all types of radicals. Only putrescine conjugates with the effective radical scavengers caffeic, ferulic and p-coumaric acid had consistently high rate constants. It is concluded that scavenging of radicals by free polyamines cannot explain the protection against ozone damage observed after exogenous application.