FLOWERING LOCUS T ( FT ) is a conserved promoter of flowering that acts downstream of various regulatory pathways, including one that mediates photoperiodic induction through CONSTANS ( CO ), and is expressed in the vasculature of cotyledons and leaves. A bZIP transcription factor, FD, preferentially expressed in the shoot apex is required for FT to promote flowering. FD and FT are interdependent partners through protein interaction and act at the shoot apex to promote floral transition and to initiate floral development through transcriptional activation of a floral meristem identity gene, APETALA1 ( AP1 ). FT may represent a long-distance signal in flowering.

Grafting success by cell wall remodeling Plants that produce great fruit may not always have great roots. Grafting of a productive scion onto a resilient rootstock has provided agriculturalists with solutions to this and other challenges. Notaguchi et al. have now studied why some plant grafts work better than others (see the Perspective by McCann). The tobacco relative Nicotiana benthamiana ( Nb ) turns out to be the superhero of grafting, able to form grafts with plants from a wide range of evolutionary families. A bit of Nb , set as a middleman between a tomato scion and an Arabidopsis rootstock, negotiated a successful junction between these two otherwise nonconversant plant species. The expression of β-1,4-glucanases secreted into the extracellular region turns out to be key in facilitating cell wall reconstruction. Science , this issue p. 698 ; see also p. 618

Plants acquire phosphorus (P) primarily as inorganic phosphate (Pi) from the soil. Under Pi deficiency, plants induce an array of physiological and morphological responses, termed phosphate starvation response (PSR), thereby increasing Pi acquisition and use efficiency. However, the mechanisms underlying PSR remain poorly understood. Here, we report that deposition of a β-1,3-glucan polymer called callose is induced in Arabidopsis thaliana root hairs under Pi deficiency, in a manner independent of PSR-regulating PHR1/PHL1 transcription factors and LPR1/LPR2 ferroxidases. Genetic studies revealed PMR4 ( GSL5 ) callose synthase being required for the callose deposition in Pi-depleted root hairs. Loss of PMR4 also affects Pi mobilization, plant growth and anthocyanin accumulation under low Pi conditions, indicating the significance of PMR4 in both PHR1/PHL1- and LPR1/LPR2-mediated responses to Pi deficiency. The defects are not affected by simultaneous disruption of SID2 , mediating defense-associated salicylic acid (SA) biosynthesis, unlike SA-dependent powdery mildew resistance previously described in pmr4. Grafting experiments and characterization of plants expressing PMR4 specifically in root hair cells suggest that PMR4 in the cell type contributes to shoot growth under Pi deficiency. Our findings thus illuminate an important role for PMR4 in plant adaptation to Pi deficiency.

Grafting techniques have been applied in studies of systemic, long-distance signaling in several model plants. Seedling grafting in Arabidopsis, known as micrografting, enables investigation of the molecular mechanisms of systemic signaling between shoots and roots. However, conventional micrografting requires a high level of skill, limiting its use. Thus, an easier user-friendly method is needed. Here, we developed a silicone microscaled device, the micrografting chip, to obviate the need for training and to generate less stressed and more uniformly grafted seedlings. The chip has tandemly arrayed units, each of which consists of a seed pocket for seed germination and a micro-path with pairs of pillars for hypocotyl holding. Grafting, including seed germination, micrografting manipulation, and establishment of tissue reunion, is performed on the chip. Using the micrografting chip, we evaluated the effect of temperature and the carbon source on grafting and showed that a temperature of 27 degree Celsius and a sucrose concentration of 0.5% were optimal. We also used the chip to investigate the mechanism of systemic signaling of iron status using a quadruple nicotianamine synthase (nas) mutant. The constitutive iron-deficiency response in the nas mutant because of aberrant partitioning was significantly rescued by grafting of wild-type shoots or roots, suggesting that shoot- and root-ward translocation of nicotianamine-iron complexes is essential for iron mobilization. Thus, our micrografting chip will promote studies of long-distance signaling in plants.

Plant grafting is conducted for vegetative propagation in plants, whereby a piece of living tissue is attached to another tissue through establishment of cell-cell adhesion. Plant grafting has a long history in agriculture and has been applied to improve crop traits for thousands of years. Plant grafting has mostly relied on the natural ability of a plant for wound healing. However, the compatibility of cell-cell adhesion typically limits graft combinations to closely related species, and the mechanism by which cell-cell adhesion of injured tissues is established is largely unknown. Here, we show that a subclade of β-1,4-glucanases secreted into the extracellular region facilitates cell-cell adhesion near the graft interface. Nicotiana shows a propensity for cell-cell adhesion with a diverse range of angiosperms, including vegetables, fruit trees, and monocots, in which cell wall reconstruction was promoted in a similar manner to conventional intrafamily grafting. Using transcriptomic approaches, we identified a specific clade of β-1,4-glucanases that is upregulated during grafting in successful graft combinations but not in incompatible grafts and precedes graft adhesion in inter- and intrafamily grafts. Grafting was facilitated with an overexpressor of the β-1,4-glucanase and, using Nicotiana stem as an interscion, we produced tomato fruits on rootstocks from other plant families. Our results demonstrate that the mechanism of cell-cell adhesion is partly conserved in plants and is a potential target to enhance plant grafting techniques.

Plants are exposed to a variety of environmental stress and starvation of inorganic phosphorus can be a major constraint in crop production. In plants, in response to phosphate deficiency in soil, miR399, a type of microRNA (miRNA), is upregulated. By detecting miR399, the early diagnosis of phosphorus deficiency stress in plants can be accomplished. However, general miRNA detection methods require complicated experimental manipulations. Therefore, simple and rapid miRNA detection methods are required for early plant nutritional diagnosis. For the simple detection of miR399, microfluidic technology is suitable for point-of-care applications because of its ability to detect target molecules in small amounts in a short time and with simple manipulation. In this study, we developed a microfluidic device to detect miRNAs from filtered plant extracts for the easy diagnosis of plant growth conditions. To fabricate the microfluidic device, verification of the amine-terminated glass as the basis of the device and the DNA probe immobilization method on the glass was conducted. In this device, the target miRNAs were detected by fluorescence of sandwich hybridization in a microfluidic channel. For plant stress diagnostics using a microfluidic device, we developed a protocol for miRNA detection by validating the sample preparation buffer, filtering, and signal amplification. Using this system, endogenous sly-miR399 in tomatoes, which is expressed in response to phosphorus deficiency, was detected before the appearance of stress symptoms. This early diagnosis system of plant growth conditions has a potential to improve food production and sustainability through cultivation management.

Grafting is an important technique in agriculture to obtain several good traits such as high disease tolerance and high yield by exchanging root system. However, the underlined cellular processes to compensate the wound damage and repair tissues were largely unknown. We analyzed two graft combinations: Nicotiana benthamiana (Nb) homograft as a compatible, wound repairing model and Nb heterograft with Arabidopsis thaliana (At) as an incompatible and more stressful model, which we recently identified as an exceptional maintainable interfamily grafting. In both graft combinations, nutrient loss was observed in gene expression after grafting, where the level of nutrient loss was more sever in heterografts. Transmission electron micrographs of Nb/At heterografts suggested that microautophagy was induced in cells near the graft boundary. In At seedling micrografting, the fluorescence of autophagy protein marker GFP-ATG8 was highly observed at graft junction especially in cambial region. In At atg2 mutant homografts, growth after grafting decreased compared with wild-type homografts. Moreover, when NbATG5 knocked-down Nb scion was grafted to At stock, the successful rate of grafting was significantly decreased. Altogether, these results suggest that component of autophagy is induced during grafting and has a role in wound healing.

Tissue adhesion between plant species occurs both naturally and artificially. Parasitic plants establish symbiotic relationship with host plants by adhering tissues at roots or stems. Plant grafting, on the other hand, is a widely used technique in agriculture to adhere tissues of two stems. While compatibility of tissue adhesion in plant grafting is often limited within close relatives, parasitic plants exhibit much wider compatibilities. For example, the Orobanchaceae parasitic plant Striga hermonthica is able to infect Poaceae crop plants, causing a serious agricultural loss. Here we found that the model Orobanchaceae parasite plant Phtheirospermum japonicum can be grafted on to interfamily species, such as Arabidopsis , a Brassicaceae plant. To understand molecular basis of tissue adhesion between distant plant species, we conducted comparative transcriptome analyses on both infection and grafting by P. japonicum on Arabidopsis . Through gene clustering, we identified genes upregulated during these tissue adhesion processes, which include cell proliferation- and cell wall modification-related genes. By comparing with a transcriptome dataset of interfamily grafting between Nicotiana and Arabidopsis , we identified 9 genes commonly induced in tissue adhesion between distant species. Among them, we showed a gene encoding secreted type of β-1,4-glucanase plays an important role for plant parasitism. Our data provide insights into the molecular commonality between parasitism and grafting in plants.

Abstract Grafting is a plant propagation technique widely used in agriculture. A recent discovery of the capability of interfamily grafting in Nicotiana has expanded the potential combinations of grafting. In this study, we showed that xylem connection is essential for the achievement of interfamily grafting and investigated the molecular basis of xylem formation at the graft junction. Transcriptome and gene network analyses revealed gene modules for tracheary element (TE) formation during grafting that include genes associated with xylem cell differentiation and immune response. The reliability of the drawn network was validated by examining the role of the Nicotiana benthamiana XYLEM CYSTEINE PROTEASE (NbXCP) genes in TE formation during interfamily grafting. Promoter activities of NbXCP1 and NbXCP2 genes were found in differentiating TE cells in the stem and callus tissues at the graft junction. Analysis of a Nbxcp1;Nbxcp2 loss-of-function mutant indicated that NbXCPs control the timing of de novo TE formation at the graft junction. Moreover, grafts of the NbXCP1 overexpressor increased the scion growth rate as well as the fruit size. Thus, we identified gene modules for TE formation at the graft boundary and demonstrated potential ways to enhance Nicotiana interfamily grafting.

Abstracts Grafting is an indispensable agricultural technology for propagating useful tree varieties and obtaining beneficial traits of two varieties/species—as stock and scion—at the same time. Recent studies of molecular events during grafting have revealed dynamic physiological and transcriptomic changes. Strategies focused on specific grafting steps are needed to further associate each physiological and molecular event with those steps. In this study, we developed a method to investigate the tissue adhesion event, an early grafting step, by improving an artificial in vitro grafting system in which two pieces of 1.5-mm thick Nicotiana benthamiana cut stem sections were combined and cultured on medium. We prepared a silicone sheet containing five special cutouts for adhesion of cut stem slices. We quantitatively measured the adhesive force at these grafting interfaces using a force gauge and found that graft adhesion started 2 days after grafting, with the adhesive force gradually increasing over time. After confirming the positive effect of auxin on grafting by this method, we tested the effect of cellulase treatment and observed significant enhancement of graft tissue adhesion. Compared with the addition of auxin or cellulase individually, the adhesive force was stronger when both auxin and cellulase were added simultaneously. The in vitro grafting method developed in this study is thus useful for examining the process of graft adhesion.