Abstract Early events occurring at the surface of the female organ are critical for plant reproduction, especially in species with a dry stigma. Following landing on the stigmatic papilla cells, the pollen hydrates and germinates a tube, which penetrates the cell wall and grows towards the ovules to convey the male gametes to the embryo sac. In self-incompatible (SI) species within the Brassicaceae, these processes are blocked when the stigma encounters an incompatible pollen. Here, based on the generation of SI-Arabidopsis lines and by setting up a live imaging system, we showed that control of pollen hydration has a central role in pollen selectivity. The faster pollen pumps water from the papilla during an initial period of 10 minutes, the faster it germinates. Furthermore, we found that the SI barriers act to block the proper hydration of incompatible pollen and when hydration is promoted by high humidity, an additional control prevents pollen tube penetration into the stigmatic wall. In papilla cells, actin bundles focalize at the contact site with the compatible pollen but not with the incompatible one, raising the possibility that stigmatic cells react to the mechanical pressure applied by the invading growing tube. Highlight A live imaging system coupled with self-incompatible Arabidopsis lines highlight the role of stigmatic cells in controlling pollen hydration and in reacting to pollen tube intrusion by remodeling actin cytoskeleton.

Abstract Colourful patterns on flower corollas are key signals to attract pollinators. The formation of such motifs relies on the establishment of developmental boundaries that partition the growing petal epidermis into different subdomains, where cells can produce specific pigments and acquire distinctive cell shapes and textures. While some of the transcription factors and biosynthetic pathways producing these characteristics as cell differentiate have been extensively studied, the upstream processes restricting the activities of molecular players to specific regions of the petal epidermis remain enigmatic. Here, we unveil that the petal surface of Hibiscus trionum , an emerging model system featuring a bullseye on its corolla, is pre-patterned as the position of the bullseye boundary is specified long before the motif becomes visible to the human eye. Using a 1-D computational model, we explore how a boundary established at such an early stage can be maintained throughout development. Reciprocally, by exploiting transgenic lines and natural variants, we show that plants can regulate the relative position of the boundary during the pre-patterning phase or modulate division and growth on either side of this boundary at later developmental stages to yield variations in final bullseye proportions. Finally, we provide evidence that such modifications in bullseye size have functional significance as buff-tailed bumblebees ( Bombus terrestris ) can reliably identify a food source based on the size of its bullseye. Notably, we found that individuals exhibit a clear preference for the larger bullseye of H. trionum over the smaller pattern of its close relative, H. richardsonii .

In Arabidopsis thaliana , successful fertilization relies on the precise guidance of the pollen tube tip as it navigates through the female pistil tissues to deliver non-motile sperm cells to ovules. While prior studies have unveiled the role of the pistil in directing pollen tubes to ovules, growth guidance mechanisms within the stigmatic epidermis during the initial phase of the pollen tube’s journey remains elusive. A recent analysis comparing wild-type (WT) pollen tube paths in WT and ktn1-5 stigmatic cells revealed a tight connection between directed pollen tube growth and the mechanical properties of the invaded stigmatic cell. Building upon these observations, we constructed here a mathematical model to explore the mechanisms guiding early pollen tube growth through the papilla cell wall (CW). We found that in ktn1-5 , the pollen tube moves freely on the curved papilla surface, following geodesics, while the WT papilla exerts directional guidance on the pollen tube. An order of magnitude analysis of the mechanical forces involved in pollen tube growth in papillae suggests a guidance mechanism, where the elongated papilla geometry and the CW elasticity combine to efficiently direct pollen tube growth towards the papilla base.

Fertilization in flowering plants depends on the early contact and recognition of pollen grains by the receptive papilla cells of the stigma. To identify the associated molecular pathways, we developed a transcriptomic analysis based on single nucleotide polymorphisms (SNPs) present in two Arabidopsis thaliana accessions, one used as female and the other as male. We succeeded in distinguishing 80 % of transcripts according to their parental origins and drew up a catalog of genes whose expression is modified after pollen-stigma interaction. Global analysis of our data reveals that pattern-triggered immunity (PTI)-associated transcripts are upregulated after compatible pollination. From our analysis, we predicted the activation of the Mitogen-activated Protein Kinase 3 on the female side after compatible pollination, which we confirmed through expression and mutant analysis. Our work defines the molecular signatures of compatible and incompatible pollination, highlights the active status of incompatible stigmas, and unravels a new MPK3-dependent cell wall feature associated with stigma-pollen interaction.

Successful fertilization in angiosperms depends on the proper trajectory of pollen tubes through the pistil tissues to reach the ovules. Pollen tubes first grow within the cell wall of the papilla cells, applying pressure to the cell. Mechanical forces are known to play a major role in plant cell shape by controlling the orientation of cortical microtubules (CMTs), which in turn mediate deposition of cellulose microfibrils (CMFs). Here, by combining cell imaging and genetic approaches, we show that isotropic reorientation of CMTs and CMFs in aged and katanin1-5 ( ktn1-5 ) papilla cells is accompanied by a tendency of pollen tubes to coil around the papillae. Furthermore, we uncover that aged and ktn1-5 papilla cells have a softer cell wall and provide less resistance to pollen tube growth. Our results reveal an unexpected role for KTN1 in pollen tube guidance by ensuring mechanical anisotropy of the papilla cell wall.

Abstract The epidermis is the first barrier that protects organisms from surrounding stresses. Similar to the hyphae of filamentous pathogens that penetrate and invade the outer tissues of the host, the pollen germinates and grows a tube within epidermal cells of the stigma. Early responses of the epidermal layer are therefore decisive for the outcome of these two-cell interaction processes. Here, we aim at characterizing and comparing how the papillae of the stigma respond to intrusion attempts, either by hypha of the hemibiotrophic oomycete root pathogen, Phytophthora parasitica or by the pollen tube. We found that P. parasitica spores attach to the papillae and hyphae subsequently invade the entire pistil. Using transmission electron microscopy, we examined in detail the invasive growth characteristics of P. parasitica and found that the hypha passed through the stigmatic cell wall to grow in contact with the plasma membrane, contrary to the pollen tube that advanced engulfed within the two cell wall layers of the papilla. Further quantitative image analysis revealed that the pathogen and the pollen tube trigger reorganization of the endomembrane system (trans Golgi network, late endosome) and the actin cytoskeleton. Some of these remodeling processes are common to both invaders, while others appear to be more specific showing that the stigmatic cells trigger an appropriate response to the invading structure and somehow can recognize the invader that attempts to penetrate.