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.

Self-incompatibility in flowering plants is a common mechanism that prevents self-fertilization and promotes outcrossing. In Brassicaceae, there is high genetic diversity at the locus controlling self-incompatibility, and dozens of distinct alleles are organized in a complex dominance hierarchy: the gene controlling self-incompatibility specificity in pollen shows monoallelic expression in heterozygote individuals, and this is achieved through the action of sRNA precursors that resemble miRNAs, although the underlying molecular mechanisms remain elusive. Here, we engineered Arabidopsis thaliana lines expressing components of the Arabidopsis halleri self-incompatibility system, and we then used a reverse genetics approach to pinpoint the pathways underlying the function of these sRNA precursors. We showed that they trigger a robust decrease in transcript abundance of the recessive pollen self-incompatibility genes, but not through the canonical transcriptional or post-transcriptional gene silencing pathways. Furthermore, we observed that single sRNA precursors are typically processed into hundreds of sRNA molecules of distinct sizes, abundance levels and ARGONAUTE loading preferences. This heterogeneity closely resembles that of proto-miRNAs, the evolutionary ancestors of miRNAs. Our results suggest that these apparently arbitrary features, which are often associated with lack of effects on gene expression, are crucial in the context of the self-incompatibility dominance hierarchy since they allow for one sRNA precursor of a given allele to repress multiple other recessive alleles. This study not only provides an in-depth characterization of the molecular features underlying complex dominance interactions, but also constitutes a unique example of how specific evolutionary constraints shape the progression of sRNA precursors along the proto-miRNA - miRNA evolutionary continuum.

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.