The root system of plants is a vital part for successful development and adaptation to different soil types and environments. A major determinant of the shape of a plant root system is the formation of lateral roots, allowing for expansion of the root system. Arabidopsis thaliana, with its simple root anatomy, has been extensively studied to reveal the genetic program underlying root branching. However, to get a more general understanding of lateral root development, comparative studies in species with a more complex root anatomy are required. Here, by combining optimized clearing methods and histology, we describe an atlas of lateral root development in Brachypodium distachyon, a wild, temperate grass species. We show that lateral roots initiate from enlarged phloem pole pericycle cells and that the overlying endodermis reactivates its cell cycle and eventually forms the root cap. In addition, auxin signaling reported by the DR5 reporter was not detected in the phloem pole pericycle cells or young primordia. In contrast, auxin signaling was activated in the overlying cortical cell layers, including the exodermis. Thus, Brachypodium is a valuable model to investigate how signaling pathways and cellular responses have been repurposed to facilitate lateral root organogenesis.

Abstract Assembling and remodelling the cell wall is essential for plant development. Cell wall dynamic is controlled by cell wall proteins and a variety of sensor and receptor systems. LecRK-I.9, an Arabidopsis thaliana plasma membrane-localised lectin receptor kinase, was previously shown to be involved in cell wall-plasma membrane contacts and to play roles in plant-pathogen interactions, but so far, its role in development was unknown. LecRK-I.9 is transcribed at a high level in root tissues including the pericycle. Comparative transcript profiling of a loss-of-function mutant vs wild type identifies LecRK-I.9 as a regulator of cell wall metabolism. Consistently, lecrk-I.9 mutants display an increased pectin methylesterification level correlated with decreased pectin methylesterase and increased polygalacturonase activities. Also, LecRK-I.9 impacts lateral root development through the regulation of genes encoding ( i ) cell wall remodelling proteins during early events of lateral root initiation, and ( ii ) cell wall signalling peptides (CLE2, CLE4) repressing lateral root emergence and growth. Besides, low nitrate reduces LecRK-I.9 expression in pericycle and interferes with its regulatory network: however, the control of CLE2 and CLE4 expression is maintained. Altogether, the results show that LecRK-I.9 is a key player in a signalling network regulating both pre-branch site formation and lateral root emergence. Highlight The lectin receptor kinase LecRK-I.9 regulates the molecular events leading to lateral root formation in both the initiation and emergence processes in Arabidopsis through cell wall remodelling enzymes and signalling peptides.

Abstract The root system of plants is a vital part for successful development and adaptation to different soil types and environments. Besides allowing exploration of the soil for water and nutrients, it also provides anchorage. A major determinant of the shape of a plant root system is the formation of lateral roots, allowing for expansion of the root system. Arabidopsis thaliana , with its simple root anatomy, has been extensively studied to reveal the genetic program underlying root branching. However, to get a more general understanding of lateral root development, comparative studies in species with a more complex root anatomy are required. Brachypodium distachyon is a wild, temperate grass species, that is related to important crops such as wheat. Its roots contain multiple cortex layers and an exodermis that functions as an additional root barrier, besides the endodermis. Here, by combining optimized clearing methods and histology, we describe an atlas of lateral root development in Brachypodium. We show that lateral roots initiate from enlarged phloem pole pericycle cells and that the overlying endodermis reactivates its cell cycle and eventually forms the root cap. In addition, auxin signaling reported by the DR5 reporter was not detected in the phloem pole pericycle cells or young primordia. In contrast, auxin signaling was activated in the overlying cell cortical layers, including the exodermis. Thus, Brachypodium is a valuable model to investigate how signaling pathways and cellular responses have been repurposed to facilitate lateral root organogenesis.