MADS-box transcription factors are ubiquitous in eukaryotic organisms and play major roles during plant development. Nevertheless, their function in seed development remains largely unknown. Here we show that the imprinted Arabidopsis thaliana MADS-box TF PHERES1 (PHE1) is a master regulator of paternally expressed imprinted genes, as well as of non-imprinted key regulators of endosperm development. PHE1 binding sites show distinct epigenetic modifications on maternal and paternal alleles, correlating with parental-specific transcriptional activity. Importantly, we show that the CArG-box-like DNA-binding motifs bound by PHE1 have been distributed by RC/Helitron transposable elements. Our data provide an example of molecular domestication of these elements, which by distributing PHE1 binding sites throughout the genome, have facilitated the recruitment of crucial endosperm regulators into a single transcriptional network.

The endosperm is an ephemeral tissue serving as nutrient source for the developing embryo, similarly to the placenta in mammals. It is derived after fertilization of the central cell in the female gametophyte. In most angiosperms the endosperm starts to develop as syncytium, where nuclear divisions are not followed by cytokinesis. The timing of endosperm cellularization largely varies between species and the event triggering this transition remains unknown. Here we show that increased auxin biosynthesis in the endosperm prevents endosperm cellularization, leading to seed arrest. Auxin overproducing seeds phenotypically resemble paternal excess triploid seeds derived from hybridizations of diploid maternal plants with tetraploid pollen donors. We demonstrate that auxin biosynthesis and signaling genes are strongly overexpressed in triploid seeds, correlating with increased auxin activity. Reduced auxin biosynthesis and signaling can restore endosperm cellularization in triploid seeds and restore triploid seed viability, highlighting a causal role of increased auxin levels in preventing endosperm cellularization. We propose that auxin levels determine the time of endosperm cellularization and uncovered a central role of auxin in establishing hybridization barriers by changing the timing of endosperm cellularization.

The evolutionary and ecological success of Spermatophytes is intrinsically linked to the seed habit, which provides a protective environment for the pre-development of the new generation. This environment includes an ephemeral nourishing tissue that supports embryo growth. In gymnosperms this tissue originates from the asexual proliferation of the maternal megagametophyte, while in angiosperms it is a product of fertilization, and is called the endosperm. The emergence of these nourishing tissues is of profound evolutionary value, and they are also food staples for most of the world population. Here, using orthogroup inference, we provide a comparative transcriptomic analysis of seed nourishing tissues from representative species of all main angiosperm clades, including those of early diverging basal angiosperms, and of two gymnosperm representatives. Our results show that, although the structure and composition of seed nourishing tissues has seen significant divergence along evolution, there are signatures that are conserved throughout the phylogeny. Conversely, we identified processes that are exclusive to each clade, and thus illustrate their functional divergence. With this, we aimed to provide a foundation for future studies on the evolutionary history of seed nourishing structures, as well as a resource for gene discovery in new functional studies.

Seed development in flowering plants starts with a double fertilization process driven by the fusion of the maternal egg and central cells with two paternal sperm cells. This leads to the formation of the embryo and endosperm. These fertilization products are enveloped by the maternally-derived seed coat, the development of which is inhibited prior to fertilization by epigenetic regulator Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2). This complex deposits the repressive histone mark H3K27me3, whose removal is necessary for seed coat formation. However, H3K27me3 marks are stable and PRC2 removal does not explain how seed coat genes become activated after fertilization. Here, we show that JUMONJI-type (JMJ) histone demethylases are expressed in the seed coats of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) seeds and are necessary for its formation. We further propose that JMJ activity is coupled to Brassinosteroid (BR) function, as BR effectors have been shown to physically recruit JMJ proteins to target loci. Consistent with this hypothesis, we show that loss of BR function leads to seed coat defects, which can be rescued by depletion of H3K27me3. Finally, we reveal an additional pathway through which BRs directly regulate seed coat development, independently of H3K27me3 deposition. This discovery highlights the diverse functions of BRs in coordinating seed development, beyond their known roles in plant growth and development.

Key message The DNA methylation status at an epigenetic quantitative trait locus in the Arabidopsis chromosome 2 is linked to the formation of apomictic-like endosperms. Abstract Seed development in most angiosperms is coupled to fertilization of the maternal gametes by two sperm cells. However, apomictic species can reproduce asexually via seeds. This trait is of great agricultural interest, as it would fix complex genotypes and allow for pollen-independent seed production. However, engineering full apomixis requires three independent processes: apomeiosis, parthenogenesis and autonomous endosperm development. While the first two have been successfully engineered in some crops, the formation of autonomous endosperms remains a challenge. Although it is known that this trait is under epigenetic control, such as of DNA methylation, the underlying mechanisms remain mostly undiscovered. Here, using epigenetic recombinant inbred lines, we identified an epigenetic quantitative trait locus in the Arabidopsis chromosome 2, which correlates with permissiveness for the formation of asexual seeds: hypomethylation at this genomic region allows the formation of larger autonomous endosperms. Importantly, the methylation at this locus only correlates with asexual seed size, and not to the size of sexual seeds or that of other organs. With this, we aim to show that screening for epialleles is a promising strategy to uncover loci underlying relevant traits and could pave the way to identifying genes necessary for the engineering of apomixis.