Summary paragraph In sexually propagating organisms, genetic and epigenetic mutations are evolutionarily relevant only if they occur in the germline and provide inherited information to the next generation. In contrast to most animals, plants are thought to lack an early segregating germline, implying that somatic cells can contribute genetic information to the progeny. Here we demonstrate that two ARGONAUTE proteins, AGO5 and AGO9, mark an early-segregating germline. Both AGOs are loaded with dynamically changing populations of small RNAs derived from highly methylated, pericentromeric, long transposons. Sequencing single nuclei revealed that many of these transposons are co-expressed within an AGO5/9 expression domain of the shoot apical meristem (SAM). This indicates a host-parasite tug of war and specific silencing pathways along the plant germline throughout development. Our results open the path to investigate transposon biology and epigenome dynamics at cellular resolution in the SAM stem cell niche.

Summary Post-embryonic plant development must be coordinated in response to and with environmental feedback. Development of above-ground organs is orchestrated from stem cells in the center of the shoot apical meristem (SAM). Heat can pose significant stress to plants and induces a rapid heat response, developmental alterations, chromatin decondensation, and activation of transposable elements (TEs). However, most plant heat-stress studies are conducted with whole plants, not resolving cell-type-specific responses. Heat stress consequences in stem cells are of particular significance, as they can potentially influence the next generation. Here we use fluorescent-activated nuclear sorting to isolate and characterize stem cells after heat exposure and after a recovery period in wild type and mutants defective in TE defense and chromatin compaction. Our results indicate that stem cells can suppress the heat response pathways that dominate surrounding somatic cells and maintain their developmental program. Furthermore, mutants defective in DNA methylation recover less efficiently from heat stress and persistently activate heat response factors and heat-inducible TEs. Heat stress also induces epimutations at the level of DNA methylation, and we find hundreds of DNA methylation changes three weeks after stress. Our results underline the importance of disentangling cell type-specific environmental responses for understanding plant development.

ABSTRACT Stem cells are essential for the development and organ regeneration of multicellular organisms, so their infection by pathogenic viruses must be prevented. Accordingly, mammalian stem cells are highly resistant to viral infection due to dedicated antiviral pathways including RNA interference (RNAi) ( 1, 2 ). In plants, a small group of stem cells harbored within the shoot apical meristem (SAM) generates all postembryonic above-ground tissues, including the germline cells. Many viruses do not proliferate in these cells, yet the molecular bases of this exclusion remain only partially understood ( 3, 4 ). Here we show that a plant-encoded RNA-dependent RNA polymerase, after activation by the plant hormone salicylic acid, amplifies antiviral RNAi in infected tissues. This provides stem cells with RNA-based virus sequence information, which prevents virus proliferation. Furthermore, we find RNAi to be necessary for stem cell exclusion of several unrelated RNA viruses, despite their ability to efficiently suppress RNAi in the rest of the plant. This work elucidates a molecular pathway of great biological and economic relevance and lays the foundations for our future understanding of the unique systems underlying stem cell immunity.

In contrast to animals, postembryonic development in plants is modular, and aerial organs originate from stem cells in the center of the shoot apical meristem (SAM) throughout life. Descendants of SAM stem cells in the subepidermal layer (L2) will give also rise to male and female gametes 1and therefore can be considered primordial germ cells. In these cells, transmission of somatic mutations including virus and TE insertions must be avoided. Despite their essential role for plant development and intergenerational continuity, a comprehensive molecular analysis of SAM plant stem cells has been missing, due to their low number, deep embedding among non-stem cells and difficult isolation. Here we present a comprehensive analysis of stage-specific gene expression and DNA methylation dynamics in Arabidopsis SAM stem cells. This revealed that stem cell expression signatures are mostly defined by development, but we also identified a core set of differentially expressed stemness genes. Surprisingly, vegetative SAM stem cells showed increased expression of transposable elements (TEs) relative to surrounding cells, despite high expression of genes connected to epigenetic silencing. We also find increasing methylation at CHG and a drop in CHH methylation at TEs before stem cells enter the reproductive lineage, indicating an onset of epigenetic reprogramming at an early stage. Transiently elevated TE expression is reminiscent of that in animal primordial germ cells (PGCs) 2 and demonstrates commonality of transposon biology. Our results connect SAM stem cells with germline development and transposon evolution and will allow future experiments to determine the degree of epigenetic heritability between generations.

Abstract The phenotypes of plants can be influenced by the environmental conditions experienced by their parents. In some cases, such parental effects have been found to be adaptive, which has led to much speculation about their ecological and evolutionary significance. However, there is still much uncertainty about how common and how predictable parental environmental effects really are. We carried out a comprehensive test for parental effects of different environmental stresses in the model plant Arabidopsis thaliana . We subjected plants of three Arabidopsis genotypes to a broad range of biotic or abiotic stresses, or combinations thereof, and compared their offspring phenotypes in a common environment. The majority of environmental stresses (16 out of 24 stress treatments) caused significant parental effects, in particular on plant biomass and reproduction, with positive or negative effects ranging from −35% to +38% changes in offspring fitness. The expression of parental effects was strongly genotype-dependent, with some effects only present in some genotypes but absent, or even in the opposite direction, in others. Parental effects of multiple environmental stresses were often non-additive, and their effects can thus not be predicted from what we know about the effects of individual stresses. Intriguingly, the direction and magnitude of parental effects were unrelated to the direct effects on the parents: some stresses did not affect the parents but caused substantial effects on offspring, while for others the situation was reversed. In summary, parental environmental effects are common and often strong in A. thaliana , but they are genotype-dependent and difficult to predict. Significance Stress experienced by plants can alter the phenotypes of their offspring. To understand the ecological and evolutionary significance of such parental effects, we must know how common and how predictable they are. In a large experiment with Arabidopsis thaliana , we show that the majority of 24 environmental stresses cause significant, and often strong, positive or negative parental effects. However, we also find that parental effects are genotype-specific and unrelated to the direct effect of individual stresses, and that multiple stresses often act in non-additive ways across generations. Thus, parental effects appear to be common and strong, but difficult to predict. Our findings have important implications for the study of plant responses to environmental change, and the design of stress experiments.

SUMMARY Individual cells give rise to diverse cell lineages during the development of multicellular organisms. Understanding the contribution of these lineages to mature organisms is a central question of developmental biology. Several techniques to document cell lineages have been used, from marking single cells with mutations that express a visible marker to generating molecular bar codes by CRISPR-induced mutations and subsequent single-cell analysis. Here, we exploit the mutagenic activity of CRISPR to allow lineage tracing within living plants. Cas9-induced mutations are directed to correct a frameshift mutation that restores expression of a nuclear fluorescent protein, labelling the initial cell and all progenitor cells with a strong signal without modifying other phenotypes of the plants. Spatial and temporal control of Cas9 activity can be achieved using tissue-specific and/or inducible promoters. We provide proof of principle for the function of lineage tracing in two model plants. The conserved features of the components and the versatile cloning system, allowing for easy exchange of promoters, are expected to make the system widely applicable. SIGNIFICANCE STATEMENT By targeting Cas9 in a tissue- and time-specific way to correct a frameshift mutation, resulting in fluorescence labelling of nuclei, we generated a method for in vivo visual lineage tracing in two model plants. The versatile cloning system makes the system widely applicable in other plants.