The anatomy of the developing root of Arabidopsis is described using conventional histological techniques, scanning and transmission electron microscopy. The root meristem is derived from cells of the hypophysis and adjacent cells of the embryo proper. The postembryonic organization of the root is apparent in the mature embryo and is maintained in the growing primary root after germination. Cell number and location is relatively invariant in the primary root, with 8 cortical and endodermal cell files but more variable numbers of pericycle and epidermal cells. The organisation of cells in lateral roots is similar to that of the primary root but with more variability in the numbers of cell files in each layer. [3H]thymidine labeling of actively growing roots indicates that a quiescent centre of four central cells (derived from the hypophysis) is located between the root cap columella and the stele. This plate of four cells is surrounded by three groups of cells in, proximal, distal and lateral positions. The labeling patterns of these cells suggest that they are the initials for the files of cells that comprise the root. They give rise to four sets of cell files: the stele, the cortex and endodermis, the epidermis and lateral root-cap and the columella. A model of meristem activity is proposed based on these data. This description of Arabidopsis root structure underpins future work on the developmental genetics of root morphogenesis.

A small organizing center, the quiescent center (QC), maintains stem cells in the Arabidopsis root and defines the stem cell niche. The phytohormone auxin influences the position of this niche by an unknown mechanism. Here, we identify the PLETHORA1 (PLT1) and PLT2 genes encoding AP2 class putative transcription factors, which are essential for QC specification and stem cell activity. The PLT genes are transcribed in response to auxin accumulation and are dependent on auxin response transcription factors. Distal PLT transcript accumulation creates an overlap with the radial expression domains of SHORT-ROOT and SCARECROW, providing positional information for the stem cell niche. Furthermore, the PLT genes are activated in the basal embryo region that gives rise to hypocotyl, root, and root stem cells and, when ectopically expressed, transform apical regions to these identities. Thus, the PLT genes are key effectors for establishment of the stem cell niche during embryonic pattern formation.

Factors with a graded distribution can program fields of cells in a dose-dependent manner, but no evidence has hitherto surfaced for such mechanisms in plants. In the Arabidopsis thaliana root, two PLETHORA (PLT) genes encoding AP2-domain transcription factors have been shown to maintain the activity of stem cells. Here we show that a clade of four PLT homologues is necessary for root formation. Promoter activity and protein fusions of PLT homologues display gradient distributions with maxima in the stem cell area. PLT activities are largely additive and dosage dependent. High levels of PLT activity promote stem cell identity and maintenance; lower levels promote mitotic activity of stem cell daughters; and further reduction in levels is required for cell differentiation. Our findings indicate that PLT protein dosage is translated into distinct cellular responses.

Meristems are distinctive regions of plants that have capacity for continuous growth. Their developmental activity generates the majority of plant organs1. It is currently unknown how cell division and cell differentiation are orchestrated in meristems, although genetic studies have demonstrated the relevance of a proper balance between the two processes2,3,4,5,6. Root meristems contain a distinct central region of mitotically inactive cells, the quiescent centre7, the function of which has remained elusive until now. Here we present laser ablation and genetic data that show that in Arabidopsis thaliana the quiescent centre inhibits differentiation of surrounding cells. Differentiation regulation occurs within the range of a single cell, in a manner strikingly similar to examples in animal development, such as during delamination of Drosophila neuroblasts8. Our data indicate that pattern formation in the root meristem is controlled by a balance between short-range signals inhibiting differentiation and signals that reinforce cell fate decisions9.

POSTEMBRYONIC development in plants is achieved by apical meristems. Surgical studies and clonal analysis have revealed indirectly that cells in shoot meristems have no predictable destiny1–3 and that position is likely to play a role in the acquisition of cell identity4–7. In contrast to animal systems8–10, there has been no direct evidence for inductive signalling in plants until now. Here we present evidence for such signalling using laser ablation of cells in the root meristem of Arabidopsis thaliana. Although these cells show rigid clonal relationships11, we now demonstrate that it is positional control that is most important in the determination of cell fate. Positional signals can be perpetuated from more mature to initial cells to guide the pattern of meristem cell differentiation. This offers an alternative to the general opinion that meristems are the source of patterning information12.

ABSTRACT The embryonic origin of the Arabidopsis root and hypocotyl region has been investigated using histological techniques and clonal analysis. Our data reveal the pattern of cell division in the embryo giving rise to the various initials within the root promeristem. A small region of the root at its connection with the hypocotyl appears not to be derived from the promeristem initials. This region contains two cortical cell layer and [3H]thymidine incorporation data suggest that it lacks postembryonic cell divisions. Sectors marked by transposon excision from the β-glucuronidase marker gene are used to investigate cell lineages giving rise to root and hypocotyl. The position of end points from sectors with embryonic origin show little variation and hence reveal preferred positions in the seedling for cells derived from different regions of the embryo. The radial extent of complete root sectors is consistent with the radial arrangement of root meristem initials at the heart stage of embryogenesis inferred from histological analysis. Using the clonal data, a fate map is constructed depicting the destiny of heart stage embryonic cell tiers, in the seedling root and hypocotyl. The variability in the sector end points indicates that distinct cell lineages are not restricted for root or hypocotyl fate. In contrast, derivatives of the hypophyseal cell do appear to be restricted to the columella and central cell region of the root.

ABSTRACT The primary root of Arabidopsis thaliana has a remarkably uniform cellular organisation. The fixed radial pattern of cell types in the mature root arises from proliferative divisions within the root meristem. The root meristem, in turn, is laid down during embryogenesis. We have analysed six mutations causing alterations in the radial organisation of the root. Embryonic phenotypes resulting from wooden leg, gollum, pinocchio, scarecrow, shortroot and fass mutations are described. While mutations in the fass gene affect morphogenesis of all cells, the five other mutations cause alterations in specific layers. Wooden leg and gollum mutations interfere with the proper organisation of the vascular tissue. Shortroot, scarecrow and pinocchio affect the endodermis and cortex. The layer-specific phenotypes caused by all five mutations are also apparent in the hypocotyl. All these phenotypes originate from defects in the radial organisation of the embryonic axis. Secondary roots, which are formed post-embryonically, also display layer-specific phenotypes.

In Arabidopsis, stem cells maintain the provision of new cells for root growth. They surround a group of slowly dividing cells named the quiescent center (QC), and, together, they form the stem cell niche (SCN). The QC acts as the signaling center of the SCN, repressing differentiation of the surrounding stem cells [1van den Berg C. Willemsen V. Hendriks G. Weisbeek P. Scheres B. Short-range control of cell differentiation in the Arabidopsis root meristem.Nature. 1997; 390: 287-289Crossref PubMed Scopus (525) Google Scholar] and providing a pool of cells able to replace damaged stem cells [2Cruz-Ramírez A. Díaz-Triviño S. Wachsman G. Du Y. Arteága-Vázquez M. Zhang H. Benjamins R. Blilou I. Neef A.B. Chandler V. Scheres B. A SCARECROW-RETINOBLASTOMA protein network controls protective quiescence in the Arabidopsis root stem cell organizer.PLoS Biol. 2013; 11: e1001724Crossref PubMed Scopus (111) Google Scholar, 3Heyman J. Cools T. Vandenbussche F. Heyndrickx K.S. Van Leene J. Vercauteren I. Vanderauwera S. Vandepoele K. De Jaeger G. Van Der Straeten D. De Veylder L. ERF115 controls root quiescent center cell division and stem cell replenishment.Science. 2013; 342: 860-863Crossref PubMed Scopus (199) Google Scholar]. Maintenance of the stem cells depends on the transcription factor WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 5 (WOX5), which is specifically expressed in the QC [4Sarkar A.K. Luijten M. Miyashima S. Lenhard M. Hashimoto T. Nakajima K. Scheres B. Heidstra R. Laux T. Conserved factors regulate signalling in Arabidopsis thaliana shoot and root stem cell organizers.Nature. 2007; 446: 811-814Crossref PubMed Scopus (752) Google Scholar]. However, the molecular mechanisms by which WOX5 promotes stem cell fate and whether WOX5 regulates proliferation of the QC are unknown. Here, we reveal a new role for WOX5 in restraining cell division in the cells of the QC, thereby establishing quiescence. In contrast, WOX5 and CYCD3;3/CYCD1;1 both promote cell proliferation in the nascent columella. The additional QC divisions occurring in wox5 mutants are suppressed in mutant combinations with the D type cyclins CYCD3;3 and CYCD1;1. Moreover, ectopic expression of CYCD3;3 in the QC is sufficient to induce cell division in the QC. WOX5 thus suppresses QC divisions that are otherwise promoted by CYCD3;3 and CYCD1;1, in part by interacting with the CYCD3;3 promoter to repress CYCD3;3 expression in the QC. Therefore, we propose a specific role for WOX5 in initiating and maintaining quiescence of the QC by excluding CYCD activity from the QC.

Abstract The transcription factor WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 11 (WOX11) in Arabidopsis initiates the formation of adventitious lateral roots upon mechanical injury in primary roots. Root-invading nematodes also induce de novo root organogenesis leading to excessive root branching, but it is not known if this symptom of disease involves mediation by WOX11 and if it benefits the plant. Here, we show with targeted transcriptional repression and reporter gene analyses in Arabidopsis that the beet cyst nematode Heterodera schachtii activates WOX11-adventitious lateral rooting from primary roots close to infection sites. The activation of WOX11 in nematode-infected roots occurs downstream of jasmonic acid-dependent damage signaling via ETHYLENE RESPONSIVE FACTOR109 , linking adventitious lateral root formation to nematode damage to host tissues. By measuring different root system components, we found that WOX11-mediated formation of adventitious lateral roots compensates for nematode-induced inhibition of primary root growth. Our observations further demonstrate that WOX11-mediated rooting reduces the impact of nematode infections on aboveground plant development and growth. Altogether, we conclude that the transcriptional regulation by WOX11 modulates root system plasticity under biotic stress, which is one of the key mechanisms underlying tolerance of Arabidopsis to cyst nematode infections.