Morphogenesis emerges from complex multiscale interactions between genetic and mechanical processes. To understand these processes, the evolution of cell shape, proliferation and gene expression must be quantified. This quantification is usually performed either in full 3D, which is computationally expensive and technically challenging, or on 2D planar projections, which introduces geometrical artifacts on highly curved organs. Here we present MorphoGraphX (www.MorphoGraphX.org), a software that bridges this gap by working directly with curved surface images extracted from 3D data. In addition to traditional 3D image analysis, we have developed algorithms to operate on curved surfaces, such as cell segmentation, lineage tracking and fluorescence signal quantification. The software's modular design makes it easy to include existing libraries, or to implement new algorithms. Cell geometries extracted with MorphoGraphX can be exported and used as templates for simulation models, providing a powerful platform to investigate the interactions between shape, genes and growth.

Abstract Positional information is a central concept in developmental biology. In developing organs, positional information can be idealized as a local coordinate system that arises from morphogen gradients controlled by organizers at key locations. This offers a plausible mechanism for the integration of the molecular networks operating in individual cells into the spatially-coordinated multicellular responses necessary for the organization of emergent forms. Understanding how positional cues guide morphogenesis requires the quantification of gene expression and growth dynamics in the context of their underlying coordinate systems. Here we present recent advances in the MorphoGraphX software (Barbier de Reuille et al. eLife 2015;4:e05864) that implement a generalized framework to annotate developing organs with local coordinate systems. These coordinate systems introduce an organ-centric spatial context to microscopy data, allowing gene expression and growth to be quantified and compared in the context of the positional information thought to control them.

ABSTRACT Morphogenesis requires the coordination of cellular behaviors along developmental axes 1 . In plants, gradients of growth and differentiation are typically established along a single longitudinal primordium axis to control organ shaping 2 . Here we combine quantitative live-imaging at cellular resolution with genetics, chemical treatments, and modeling to understand the formation of Arabidopsis thaliana female reproductive organ (gynoecium). We show that, contrary to other aerial organs, gynoecium shape is determined by two competing differentiation gradients positioned along two orthogonal axes. An early mediolateral gradient, dependent on meristematic activity in the medial domain, controls the valve morphogenesis while simultaneously restricting an auxin-dependent, longitudinal gradient to the style. This gradient competition serves to finetune the common developmental program governing organ morphogenesis to ensure the specialized function of the gynoecium 3,4 .

Abstract Plant organs have evolved into diverse shapes for specialized functions despite emerging as simple protrusions at the shoot apex. Cauline leaves serve as photosynthetic organs and protective structures for emerging floral buds. However, the growth patterns underlying this dual function remain unknown. Here, we investigate the developmental dynamics shaping Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) cauline leaves underlying their functional diversification from other laminar organs. We show that cauline leaves display a significant delay in overall elongation compared to rosette leaves. Using live imaging, we reveal that their functional divergence hinges on early modulation of the timing of cell differentiation and cellular growth rates. In contrast to rosette leaves and sepals, cell differentiation is delayed in cauline leaves, fostering extended proliferation, prolonged morphogenetic activity, and growth redistribution within the organ. Notably, cauline leaf growth is transiently suppressed during the early stages, keeping the leaf small and unfolded during the initiation of the first flowers. Our findings highlight the unique developmental timing of cauline leaves, underlying their shift from an early protective role to a later photosynthetic function.

SUMMARY Biological shape diversity is often manifested in modulation of organ symmetry and modification of the patterned elaboration of repeated shape elements. 1–5 Whether and how these two aspects of shape determination are coordinately regulated is unclear. 5–7 Plant leaves provide an attractive system to investigate this problem, because they usually show asymmetries along their proximodistal axis, along which they can also produce repeated marginal outgrowths such as serrations or leaflets. 1 One case of leaf shape diversity is heteroblasty, where the leaf form in a single genotype is modified with progressive plant age. 8–11 In Arabidopsis thaliana, a plant with simple leaves, SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE9 (SPL9) controls heteroblasty by activating CyclinD3 expression, thereby sustaining proliferative growth and retarding differentiation in adult leaves. 12 However, the precise significance of SPL9 action for leaf symmetry and marginal patterning is unknown. By combining genetics, quantitative shape analyses, and time-lapse imaging, we show that, in A. thaliana , proximodistal symmetry of the leaf blade decreases in response to an age-dependent SPL9 expression gradient, and that SPL9 action coordinately regulates the distribution and shape of marginal serrations and overall leaf form. Using comparative analyses, we demonstrate that heteroblastic growth reprogramming in Cardamine hirsuta, a complex-leafed relative of A. thaliana, also involves prolonging the duration of cell proliferation and delaying differentiation. We further provide evidence that SPL9 enables species-specific action of homeobox genes that promote leaf complexity. In conclusion, we identify an age-dependent layer of organ proximodistal growth regulation that modulates leaf symmetry and has enabled leaf shape diversification. In Brief Age-dependent regulation of proliferative growth and differentiation along the proximodistal axis of leaves modulates organ symmetry and marginal patterning in heteroblasty, and enabled the action of homeobox genes in complex leaf shape evolution. Highlights An age-dependent growth gradient underpins regulation of A. thaliana leaf symmetry SPL9-mediated heteroblastic growth control potentiates leaf histogenic capacity A common growth framework underlies heteroblasty in complex and simple leaves SPL9 enables the action of homeobox genes that promote leaf complexity

Plant organs have evolved into diverse shapes for specialized functions despite emerging as simple protrusions at the shoot apex. Cauline leaves serve both as photosynthetic organs and protective structures for emerging floral buds. However, the growth patterns underlying this dual function remain unknown. Here, we investigate the developmental dynamics shaping cauline leaves underlying their functional diversification from other laminar organs. We show that cauline leaves display a significant delay in overall elongation compared to rosette leaves. Using live imaging, we reveal that their functional divergence hinges on early modulation of the timing of cell differentiation and cellular growth rates. In contrast to rosette leaves and sepals, cell differentiation is delayed in cauline leaves, fostering extended proliferation, prolonged morphogenetic activity, and growth redistribution within the organ. Notably, cauline leaf growth is transiently suppressed during the early stages, keeping the leaf small and unfolded during the initiation of the first flowers. Our findings highlight the unique developmental timing of cauline leaves, underlying their shift from an early protective role to a later photosynthetic function.

Organs form with remarkably consistent sizes and shapes during development, whereas a high variability in size and growth is observed at cell level. Given this contrast, it is unclear how such consistency at organ scale can emerge from cellular behavior. We examine the growth of cell lineages, or groups of cells that are the progeny of a single mother cell. At early stages of the lineage, we find that initially smaller lineages grow faster than the larger ones reducing variability in lineage size, a phenomenon we refer to as size uniformization. In contrast at later stages of the lineage, size variability is enhanced when initially larger cell lineages grow faster than the smaller ones. Our results imply that the cell lineage changes its growth pattern at a tipping point. Finally, we found that the growth heterogeneity of individual cells within a lineage is correlated with fast growth of the lineage. Consequently, fast growing lineages show greater cell growth heterogeneity, leading to uniformization in lineage size. Thus, cellular variability in growth contributes toward decreasing variability of cell lineages throughout the sepal.