Abstract: Early root growth is critical for plant establishment and survival. We have identified a molecular pathway required for oscillatory root tip movement known as circumnutation. Here we report a multiscale investigation of the regulation and function of this phenomenon. We identify key cell signaling events comprising interaction of the ethylene, cytokinin, and auxin hormone signaling pathways. We identify the gene Oryza sativa Histidine Kinase-1/OsHK1 , as well as the auxin influx carrier gene OsAUX1 , as essential regulators of this process in rice. Robophysical modelling demonstrated the benefits of tip movement for navigating past obstacles, prompting us to challenge mutant and wild-type plants with different substrates. Consistent with model behavior, root circumnutation facilitated exploration of a solid surface and promoted seedling establishment in rocky soil. Thus, the integration of robotics, physics and biology elucidated the functional importance of root circumnutation and uncovered the molecular mechanisms underlying its regulation. One sentence summary Circumnutation facilitates root exploration.

Abstract Abscission is the programmed separation of plant organs. It is widespread in the plant kingdom with important functions in development and environmental response. In Arabidopsis, abscission of floral organs (sepals, petals, and stamens) is controlled by two receptor-like protein kinases HAESA (HAE) and HAESA LIKE-2 (HSL2), which orchestrate the programmed dissolution of the abscission zone connecting floral organs to the developing fruit. In this work, we use single-cell RNA-Sequencing to characterize the core HAE/HSL2 abscission gene expression program. We identify the MAP KINASE PHOSPHATASE-1/MKP1 gene as a negative regulator of this pathway. MKP1 acts prior to activation of HAE/HSL2 signaling to establish a signaling threshold required for the initiation of abscission. By analogy to electrical circuit control, we liken MKP1 to a molecular grounding mechanism that dissipates errant pathway activation absent HAE/HSL2 signaling. Furthermore, we use single-cell data to identify genes expressed in two sub-populations of abscission zone cells: those proximal and those distal to the plane of separation. We identify INFLORESCENCE DEFICIENT IN ABSCISSION/IDA , encoding the activating ligand of HAE/HSL2, as one of the mRNAs most highly enriched in distal abscission zone cells at the base of the abscising organs. We show how this expression pattern forms a biophysical circuit breaker whereby, when the organ is shed, the source of the IDA peptide is removed, leading to cessation of HAE/HSL2 signaling. Overall, this work provides insight into the multiple control mechanisms acting on the abscission-signaling pathway.

Brassinosteroids (BRs) are plant steroid hormones that regulate diverse processes such as cell division and cell elongation. BRs control thousands of genes through gene regulatory networks that vary in space and time. By using time-series single-cell RNA-sequencing to identify BR-responsive gene expression specific to different cell types and developmental stages of the Arabidopsis root, we uncovered the elongating cortex as a site where BRs trigger a shift from proliferation to elongation associated with increased expression of cell wall-related genes. Our analysis revealed HAT7 and GTL1 as BR-responsive transcription factors that regulate cortex cell elongation. These results establish the cortex as an important site for BR-mediated growth and unveil a BR signaling network regulating the transition from proliferation to elongation, illuminating new aspects of spatiotemporal hormone response.

Abstract The study of plant root growth in real time has been difficult to achieve in an automated, high-throughput, and systematic fashion. Dynamic imaging of plant roots is important in order to discover novel root growth behaviors and to deepen our understanding of how roots interact with their environments. We designed and implemented the Generating Rhizodynamic Observations Over Time (GROOT) robot, an automated, high-throughput imaging system that enables time-lapse imaging of 90 containers of plants and their roots growing in a clear gel medium over the duration of weeks to months. The system uses low-cost, widely available materials. As a proof of concept, we employed GROOT to collect images of orchid root growth of multiple species over six months. Beyond imaging plant roots, our system is highly customizable and can be used to collect time-lapse image data of different container sizes and configurations regardless of what is being imaged, making it applicable to many fields that require longitudinal time-lapse recording.

Abstract Root System Architecture (RSA) is a key factor in the efficiency of nutrient capture and water uptake in plants. Understanding the genetic control of RSA will be useful in minimizing fertilizer and water usage in agricultural cropping systems. Using a hydroponic screen and a gel-based imaging system we identified a rice gene, OsVST1 , which plays a key role in controlling RSA. This gene encodes a homolog of the Arabidopsis VAP-RELATED SUPPRESSORS OF TMM (VSTs), a class of proteins that promote signaling in stomata by mediating plasma membrane-endoplasmic reticulum contacts. OsVST1 mutants have shorter primary roots, decreased root meristem size, and a more compact root system architecture. We show that the Arabidopsis VST triple mutants have similar phenotypes, with reduced primary root growth and smaller root meristems. Expression of OsVST1 largely complements the short root length and reduced plant height in the Arabidopsis triple mutant, supporting conservation of function between rice and Arabidopsis VST proteins. In a field trial, mutations in OsVST1 do not adversely affect grain yield, suggesting that modulation of this gene could be used as a way to optimize RSA without an inherent yield penalty.

Summary Cell fate acquisition is a fundamental developmental process in all multicellular organisms. Yet, much is unknown regarding how a cell traverses the pathway from stem cell to terminal differentiation. Advances in single cell genomics 1 hold promise for unraveling developmental mechanisms 2–3 in tissues 4 , organs 5–6 , and organisms 7–8 . However, lineage tracing can be challenging for some tissues 9 and integration of high-quality datasets is often necessary to detect rare cell populations and developmental states 10,11 . Here, we harmonized single cell mRNA sequencing data from over 110,000 cells to construct a comprehensive atlas for a stereotypically developing organ with indeterminate growth, the Arabidopsis root. To test the utility of the atlas to interpret new datasets, we profiled mutants for two key transcriptional regulators at single cell resolution, shortroot and scarecrow . Although both transcription factors are required for early specification of cell identity 12 , our results suggest the existence of an alternative pathway acting in mature cells to specify endodermal identity, for which SHORTROOT is required. Uncovering the architecture of this pathway will provide insight into specification and stabilization of the endodermis, a tissue analogous to the mammalian epithelium. Thus, the atlas is a pivotal advance for unraveling the transcriptional programs that specify and maintain cell identity to regulate organ development in space and time.

Abstract The processes that contribute to plant organ morphogenesis are spatial-temporally organized. Within the meristem the mitotic cell cycle produces new cells that subsequently engage in specific cell expansion and differentiation programs once they exit the division competent zone. The latter is frequently accompanied by endoreplication, being an alternative cell cycle that replicates the DNA without nuclear division, causing a stepwise increase in somatic ploidy. We have previously shown that the Arabidopsis SCL28 transcription factor promotes progression through G2/M and modulates division plane orientation. Here, we demonstrate that SCL28 co-express and regulates genes specific to cell elongation and differentiation, including genes related to cell wall and cytoskeleton assembly. Consistently, this correlates with defects in post-mitotic cell expansion in a scl28 mutant. Strikingly, SCL28 controls expression of 6 members of the SIAMESE/SIAMESE-RELATED ( SIM/SMR ) family, encoding cyclin-dependent kinase inhibitors with a role in promoting mitotic cell cycle exit and endoreplication onset, both in response to developmental and environmental cues. Consistent with this role, scl28 mutants displayed reduced endoreplication, both in roots and leaves. Altogether, these results suggest that SCL28 controls cell expansion and differentiation by promoting endoreplication onset and by modulating aspects of the biogenesis, assembly and remodeling of the cytoskeleton and cell wall.

The intricate growth patterns that accompany plant organ elongation have long intrigued biologists. Circumnutation refers to the circular or elliptical growth of the tip of a plant organ around a central axis. While the utility of circumnutation for climbing plants is clear, its function in roots is less obvious. Additionally, the genetic requirements for root circumnutation are not known. Here we show that mutations in a gene encoding a histidine kinase abolish large radius root tip circumnutation in rice. Using a gel-based imaging system and a whole genome sequenced mutant population, we identified three different mutant alleles of the gene OsHK1 that exhibit increased seedling root depth. Time-lapse imaging indicated that this phenotype is likely due to a lack of large radius root tip circumnutation in OsHK1 mutants. Treatment of mutant roots with the plant hormone zeatin rescues circumnutation, indicating that OsHK1 functions in a cytokinin-related signaling pathway. We found that OsHK1 mutants are impaired in their ability to explore flat surfaces, suggesting that circumnutation facilitates root exploration at the interface of compacted soil horizons.

In Arabidopsis, the abscission of floral organs is regulated by two related receptor-like protein kinases (RLKs), HAESA and HAESA-like 2 (HAE/HSL2). HAE/HSL2, in complex with members of the SERK family of coreceptor protein kinases, are activated by the binding of the proteolytically processed peptide ligand IDA. This leads to expression of genes encoding secreted cell wall remodeling and hydrolase enzymes. hae hsl2 mutants fail to induce expression of these genes and retain floral organs indefinitely. In this paper we report identification of an allelic series of hae hsl2 suppressor mutations in the SERK1 coreceptor protein kinase gene. Genetic and transcriptomic evidence indicates these alleles represent a novel class of gain of function mutations that activate signaling independent of HAE/HSL2. We show that the suppression effect surprisingly does not rely on protein kinase activity of SERK1, and that activation of signaling relies on the RLK gene SOBIR1. The effect of these mutations can be mimicked by loss of function of BIR1, a known negative regulator of SERK-SOBIR1 signaling. These results suggest BIR1 functions to negatively regulate SERK-SOBIR1 signaling during abscission, and that the identified SERK1 mutations likely interfere with this negative regulation.