Morphogenesis emerges from complex multiscale interactions between genetic and mechanical processes. To understand these processes, the evolution of cell shape, proliferation and gene expression must be quantified. This quantification is usually performed either in full 3D, which is computationally expensive and technically challenging, or on 2D planar projections, which introduces geometrical artifacts on highly curved organs. Here we present MorphoGraphX (www.MorphoGraphX.org), a software that bridges this gap by working directly with curved surface images extracted from 3D data. In addition to traditional 3D image analysis, we have developed algorithms to operate on curved surfaces, such as cell segmentation, lineage tracking and fluorescence signal quantification. The software's modular design makes it easy to include existing libraries, or to implement new algorithms. Cell geometries extracted with MorphoGraphX can be exported and used as templates for simulation models, providing a powerful platform to investigate the interactions between shape, genes and growth.

Quantitative analysis of plant and animal morphogenesis requires accurate segmentation of individual cells in volumetric images of growing organs. In the last years, deep learning has provided robust automated algorithms that approach human performance, with applications to bio-image analysis now starting to emerge. Here, we present PlantSeg, a pipeline for volumetric segmentation of plant tissues into cells. PlantSeg employs a convolutional neural network to predict cell boundaries and graph partitioning to segment cells based on the neural network predictions. PlantSeg was trained on fixed and live plant organs imaged with confocal and light sheet microscopes. PlantSeg delivers accurate results and generalizes well across different tissues, scales, acquisition settings even on non plant samples. We present results of PlantSeg applications in diverse developmental contexts. PlantSeg is free and open-source, with both a command line and a user-friendly graphical interface.

How do genes modify cellular growth to create morphological diversity? We study this problem in two related plants with differently shaped leaves: Arabidopsis thaliana (simple leaf shape) and Cardamine hirsuta (complex shape with leaflets). We use live imaging, modeling, and genetics to deconstruct these organ-level differences into their cell-level constituents: growth amount, direction, and differentiation. We show that leaf shape depends on the interplay of two growth modes: a conserved organ-wide growth mode that reflects differentiation; and a local, directional mode that involves the patterning of growth foci along the leaf edge. Shape diversity results from the distinct effects of two homeobox genes on these growth modes: SHOOTMERISTEMLESS broadens organ-wide growth relative to edge-patterning, enabling leaflet emergence, while REDUCED COMPLEXITY inhibits growth locally around emerging leaflets, accentuating shape differences created by patterning. We demonstrate the predictivity of our findings by reconstructing key features of C. hirsuta leaf morphology in A. thaliana. VIDEO ABSTRACT.

Abstract Positional information is a central concept in developmental biology. In developing organs, positional information can be idealized as a local coordinate system that arises from morphogen gradients controlled by organizers at key locations. This offers a plausible mechanism for the integration of the molecular networks operating in individual cells into the spatially-coordinated multicellular responses necessary for the organization of emergent forms. Understanding how positional cues guide morphogenesis requires the quantification of gene expression and growth dynamics in the context of their underlying coordinate systems. Here we present recent advances in the MorphoGraphX software (Barbier de Reuille et al. eLife 2015;4:e05864) that implement a generalized framework to annotate developing organs with local coordinate systems. These coordinate systems introduce an organ-centric spatial context to microscopy data, allowing gene expression and growth to be quantified and compared in the context of the positional information thought to control them.

Abstract A fundamental question in biology is how morphogenesis integrates the multitude of distinct processes that act at different scales, ranging from the molecular control of gene expression to cellular coordination in a tissue. Investigating morphogenesis of complex organs strongly benefits from three-dimensional representations of the organ under study. Here, we present a digital analysis of ovule development from Arabidopsis thaliana as a paradigm for a complex morphogenetic process. Using machine-learning-based image analysis we generated a three-dimensional atlas of ovule development with cellular resolution. It allows quantitative stage- and tissue-specific analysis of cellular patterns. Exploiting a fluorescent reporter enabled precise spatial determination of gene expression patterns, revealing subepidermal expression of WUSCHEL . Underlying the power of our approach, we found that primordium outgrowth progresses evenly, discovered a novel mode of forming a new cell layer, and detected a new function of INNER NO OUTER in restricting cell proliferation in the nucellus. Moreover, we identified two distinct subepidermal cell populations that make crucial contributions to ovule curvature. Our work demonstrates the expedience of a three-dimensional digital representation when studying the morphogenesis of an organ of complex cellular architecture and shape that eventually consists of 1,900 cells.

Abstract The growth and division of cells in plant leaves is highly dynamic in time and space, all while the cells cannot move relative to their neighbors. Given these constraints, models predict that long range regulatory systems must exist to maintain flat forms. Juxtaposed microRNA (miR-NA) networks could serve as one of these regulatory systems. One of these miRNAs, miR319 is thought to be expressed from the base of leaves and to promote growth by degrading class II TCP transcription factor mRNAs. A miR319 overexpression mutant, jagged and wavy ( jaw-D ) exhibits rippling and undulating leaves, consistent with biomechanical predictions that without genetic spatial coordination, tissues will deform. It has been theorized that jaw-D rippling results from overgrowth at the margins, however this does not fully address how miR319 expression from the base of wild-type (WT) leaves allows them to flatten. Here, we track the growth, cell division and cell maturation in live WT and jaw-D leaves to ask how miR319 expression in WT promotes flattening. This data revealed the importance of spatially distinct growth, division and differentiation patterns in WT leaves, which are missing in jaw-D. We propose that WT leaf cells respond to differentiation cues to dynamically re-orient growth in specific tissue locations and regulate flattening.

Summary Premitotic control of cell division orientation is critical for plant development, as cell walls prevent extensive cell remodelling or migration. Whilst many divisions are proliferative and add cells to existing tissues, some divisions are formative, and generate new tissue layers or growth axes. Such formative divisions are often asymmetric in nature, producing daughters with different fates. We have previously shown that in the Arabidopsis thaliana embryo, developmental asymmetry is correlated with geometric asymmetry, creating daughter cells of unequal volume. Such divisions are generated by division planes that deviate from a default “minimal surface area” rule. Inhibition of auxin response leads to reversal to this default, yet the mechanisms underlying division plane choice in the embryo have been unclear. Here we show that auxin-dependent division plane control involves alterations in cell geometry, but not in cell polarity or nuclear position. Through transcriptome profiling, we find that auxin regulates genes controlling cell wall and cytoskeleton properties. We confirm the involvement of microtubule (MT)-binding proteins in embryo division control. Topology of both MT and Actin cytoskeleton depend on auxin response, and genetically controlled MT or Actin depolymerization in embryos leads to disruption of asymmetric divisions, including reversion to the default. Our work shows how auxin-dependent control of MT- and Actin cytoskeleton properties interacts with cell geometry to generate asymmetric divisions during the earliest steps in plant development.

SUMMARY Biological shape diversity is often manifested in modulation of organ symmetry and modification of the patterned elaboration of repeated shape elements. 1–5 Whether and how these two aspects of shape determination are coordinately regulated is unclear. 5–7 Plant leaves provide an attractive system to investigate this problem, because they usually show asymmetries along their proximodistal axis, along which they can also produce repeated marginal outgrowths such as serrations or leaflets. 1 One case of leaf shape diversity is heteroblasty, where the leaf form in a single genotype is modified with progressive plant age. 8–11 In Arabidopsis thaliana, a plant with simple leaves, SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE9 (SPL9) controls heteroblasty by activating CyclinD3 expression, thereby sustaining proliferative growth and retarding differentiation in adult leaves. 12 However, the precise significance of SPL9 action for leaf symmetry and marginal patterning is unknown. By combining genetics, quantitative shape analyses, and time-lapse imaging, we show that, in A. thaliana , proximodistal symmetry of the leaf blade decreases in response to an age-dependent SPL9 expression gradient, and that SPL9 action coordinately regulates the distribution and shape of marginal serrations and overall leaf form. Using comparative analyses, we demonstrate that heteroblastic growth reprogramming in Cardamine hirsuta, a complex-leafed relative of A. thaliana, also involves prolonging the duration of cell proliferation and delaying differentiation. We further provide evidence that SPL9 enables species-specific action of homeobox genes that promote leaf complexity. In conclusion, we identify an age-dependent layer of organ proximodistal growth regulation that modulates leaf symmetry and has enabled leaf shape diversification. In Brief Age-dependent regulation of proliferative growth and differentiation along the proximodistal axis of leaves modulates organ symmetry and marginal patterning in heteroblasty, and enabled the action of homeobox genes in complex leaf shape evolution. Highlights An age-dependent growth gradient underpins regulation of A. thaliana leaf symmetry SPL9-mediated heteroblastic growth control potentiates leaf histogenic capacity A common growth framework underlies heteroblasty in complex and simple leaves SPL9 enables the action of homeobox genes that promote leaf complexity

Abstract Growth extent and direction determine cell and whole-organ architecture. How they are spatiotemporally modulated to control size and shape? Here we tackled this question by studying the effect of brassinosteroid (BR) signaling on the structure of the root meristem. Quantification of the 3D geometry of thousands of individual meristematic cells across different tissue types showed that modulation of BR signaling yields distinct changes in growth rate and anisotropy, which affects the time cells spend in the meristem and has a strong impact on final root form. By contrast, the hormone effect on cell volume was minor, establishing cell volume as invariant to the effect of BR. Thus, BR has highest effect on cell shape and growth anisotropy, regulating overall radial growth of the meristem, while maintaining a coherent distribution of cell sizes. Moving from single-cell quantification to the whole organ, we developed a computational model of radial growth that demonstrates how differential growth regulation by BR between the inner and outer tissues shapes the meristem. The model explains the unintuitive outcomes of tissue-specific perturbation of BR signaling and suggests that the inner and outer tissues have independent but coordinated roles in growth regulation.

Abstract A fundamental question in biology concerns how molecular and cellular processes become integrated during morphogenesis. In plants, characterization of 3D digital representations of organs at single-cell resolution represents a promising approach to addressing this problem. A major challenge is to provide organ-centric spatial context to cells of an organ. We developed several general rules for the annotation of cell position and embodied them in 3DCoordX, a user-interactive computer toolbox implemented in the open-source software MorphoGraphX. It enables rapid spatial annotation of cells even in highly curved biological shapes. With the help of 3DCoordX we obtained new insight by analyzing cellular growth patterns in organs of several species. For example, the data indicated the presence of a basal cell proliferation zone in the ovule primordium of Arabidopsis thaliana . Proof-of-concept analyses suggested a preferential increase in cell length associated with neck elongation in the archegonium of Marchantia polymorpha and variations in cell volume linked to central morphogenetic features of a trap of the carnivorous plant Utricularia gibba . Our work demonstrates the broad applicability of the developed strategies as they provide organ-centric spatial context to cellular features in plant organs of diverse shape complexity.