Abstract The mechanisms that allow cells in the plant meristem to coordinate tissue-wide maturation gradients with specialized cell networks are critical for indeterminate growth. Here, we reconstructed the protophloem developmental trajectory of 19 cells from cell birth to terminal differentiation at single cell resolution in the Arabidopsis root. We found that cellular specification is mediated near the stem cell niche by PHLOEM EARLY DOF (PEAR) transcription factors. However, the PEAR dependent differentiation program is repressed by a broad gradient of PLETHORA (PLT) transcription factors, which directly inhibit PEARs’ own direct target ALTERED PHLOEM DEVELOPMENT (APL) . The dissipation of PLT gradient around 7 cells from the stem cell activates APL expression, and a subsequent transitional network that results in a “seesaw” pattern of mutual inhibition over developmental time. Together, we provide a mechanistic understanding of how morphogen-like maturation gradients interface with cell-type specific transcriptional regulators to stage cellular differentiation.

Abstract Single cell sequencing has recently allowed the generation of exhaustive root cell atlases. However, some cell types are elusive and remain underrepresented. Here, we use a second- generation single cell approach, where we zoom in on the root transcriptome sorting with specific markers to profile the phloem poles at an unprecedented resolution. Our data highlight the similarities among the developmental trajectories and gene regulatory networks communal to protophloem sieve element (PSE) adjacent lineages in relation to PSE enucleation, a key event in phloem biology. As a signature for early PSE-adjacent lineages, we have identified a set of DNA-binding with one finger (DOF) transcription factors, the PINEAPPLEs (PAPL), that act downstream of PHLOEM EARLY DOF ( PEAR ) genes, and are important to guarantee a proper root nutrition in the transition to autotrophy. Our data provide a holistic view of the phloem poles that act as a functional unit in root development.

Abstract Genetically identical plants growing in the same conditions can display heterogeneous phenotypes. Whether this phenotypic variability is functional and the mechanisms behind it are unclear. Here we use Arabidopsis seed germination time as a model system to examine phenotypic variability. We show extensive variation in seed germination time variability between Arabidopsis accessions, and use a multi-parent recombinant inbred population to identify two loci involved in this trait. Both loci include genes implicated in ABA signalling that could contribute to seed germination variability. Modelling reveals that the GA/ABA bistable switch underlying germination can amplify variability and account for the effects of these two loci on germination distributions. The model predicts the effects of modulating ABA and GA levels, which we validate genetically and by exogenous addition of hormones. We confirm that germination variability could act as a bet hedging strategy, by allowing a fraction of seeds to survive lethal stress.

Abstract DNA methylation is considered a stable epigenetic mark due to its presumed long-term inheritance through cell divisions. Here, we perform high-throughput bisulfite sequencing on clonally derived cell lines to quantitatively measure mitotic methylation inheritance at the nucleotide level. We find that although DNA methylation is generally faithfully maintained at hypo- and hypermethylated sites, this is not the case at intermediately methylated CpGs. Low fidelity intermediate methylation is interspersed throughout the genome and within genes with no or low transcriptional activity. Moreover, we determine that the probabilistic changes that occur at intermediately methylated sites are due to DNMT1 rather than DNMT3A/3B activity. The observed lack of clonal inheritance at intermediately methylated sites challenges the concept of DNA methylation as a consistently stable epigenetic mark.

The mammary gland, which primarily develops postnatally, undergoes significant changes during pregnancy and lactation to facilitate milk production. Through the generation and analysis of 480 transcriptomes, this study provides the first detailed allelic expression map of the mammary gland, cataloguing cell-type specific expression from ex-vivo purified cell populations over 10 developmental stages of the reproductive cycle enabling comparative analysis of cellular properties during this critical process. Genomic imprinting, a mechanism regulating gene expression based on parental origin, plays a crucial role in controlling gene dosage and stem cell potential throughout development and adult life. Although some imprinted genes have been identified in the mammary gland, a comprehensive assessment has been lacking. Our analysis identified 25 imprinted genes that are monoallelically expressed in the mammary gland, with several showing allele-specific expression in distinct cell types. No imprinted genes showed biallelic expression and novel imprinted genes were not identified. This research highlights known transcriptional dynamics within mammary gland cell types and identifies novel candidate genes potentially significant in the mammary gland as it develops during gestation and lactation. Additionally, our findings suggest that, unlike in brain, selective absence of imprinting does not serve as a mechanism for gene dosage control in the mammary gland. Overall, this comprehensive atlas of cell type, parent-of-origin, and stage-specific expression in the mammary gland represents a valuable resource for future studies on expression and transcriptional dynamics in mammary gland cell types.

Abstract Early-life factors, including nutrition, shape long-term health outcomes. Despite the essential role of lactation in maternal nutritional support, the influence of epigenetic factors on lactation and postnatal growth remains poorly understood. Zinc-finger protein 57 (ZFP57), is an epigenetic regulator of genomic imprinting, a process that directs gene expression based on parental origin, playing a vital role in mammalian prenatal growth. Here, we identify a novel function of ZFP57 in regulating the mammary gland, where it serves as a key modulator of postnatal resource control, independently of imprinted genes. ZFP57 influences multiple aspects of mammary gland function, including ductal branching and cellular homeostasis. Its absence leads to significant differential gene expression, related to alveologenesis, lactogenesis and milk synthesis, associated with delayed lactation and altered milk composition. This results in life-long impacts on offspring including the development of metabolic syndrome. Cross-fostering reveals intricate dynamics between mother and offspring during lactation. Pups raised by a dam of a different genotype than their birth mother exhibit exacerbated metabolic features in adulthood, providing additional insight into the programming of offspring long-term health by maternal context. This study deepens our understanding of the interplay between epigenetic factors, lactation, and postnatal resource control and identifies ZFP57 as a major regulator of both pre and postnatal resource control in mammals.