The shoot apical meristem (SAM) is a pluripotent group of cells that gives rise to the aerial parts of higher plants. Class-I KNOTTED1-like homeobox (KNOX) transcription factors promote meristem function partly through repression of biosynthesis of the growth regulator gibberellin (GA). However, regulation of GA activity cannot fully account for KNOX action. Here, we show that KNOX function is also mediated by cytokinin (CK), a growth regulator that promotes cell division and meristem function. We demonstrate that KNOX activity is sufficient to rapidly activate both CK biosynthetic gene expression and a SAM-localized CK-response regulator. We also show that CK signaling is necessary for SAM function in a weak hypomorphic allele of the KNOX gene SHOOTMERISTEMLESS (STM). Additionally, we provide evidence that a combination of constitutive GA signaling and reduced CK levels is detrimental to SAM function. Our results indicate that CK activity is both necessary and sufficient for stimulating GA catabolic gene expression, thus reinforcing the low-GA regime established by KNOX proteins in the SAM. We propose that KNOX proteins may act as general orchestrators of growth-regulator homeostasis at the shoot apex of Arabidopsis by simultaneously activating CK and repressing GA biosynthesis, thus promoting meristem activity.

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.

The shoot apical meristem (SAM) is an indeterminate structure that gives rise to the aerial parts of higher plants. Leaves arise from the differentiation of cells at the flanks of the SAM. Current evidence suggests that the precise regulation of KNOTTED1-like homeobox (KNOX) transcription factors is central to the acquisition of leaf versus meristem identity in a wide spectrum of plant species. Factors required to repress KNOX gene expression in leaves have recently been identified. Additional factors such as the CHD3 chromatin remodeling factor PICKLE (PKL) act to restrict meristematic activity in Arabidopsis leaves without repressing KNOX gene expression. Less is known regarding downstream targets of KNOX function. Recent evidence, however, has suggested that growth regulators may mediate KNOX activity in a variety of plant species.Here we show that reduced activity of the gibberellin (GA) growth regulator pathway promotes meristematic activity, both in the natural context of KNOX function in the SAM and upon ectopic KNOX expression in Arabidopsis leaves. We show that constitutive signaling through the GA pathway is detrimental to meristem maintenance. Furthermore, we provide evidence that one of the functions of the KNOX protein SHOOTMERISTEMLESS (STM) is to exclude transcription of the GA-biosynthesis gene AtGA20ox1 from the SAM. We also demonstrate that AtGA20ox1 transcript is reduced in the pkl mutant in a KNOX-independent manner. Moreover, we show a similar interaction between KNOX proteins and GA-biosynthesis gene expression in the tomato leaf and implicate this interaction in regulation of the dissected leaf form.We suggest that repression of GA activity by KNOX transcription factors is a key component of meristem function. Transfer of the KNOX/GA regulatory module from the meristem to the leaf may have contributed to the generation of the diverse leaf morphologies observed in higher plants.

Biological shapes are often produced by the iterative generation of repeated units. The mechanistic basis of such iteration is an area of intense investigation. Leaf development in the model plant Arabidopsis is one such example where the repeated generation of leaf margin protrusions, termed serrations, is a key feature of final shape. However, the regulatory logic underlying this process is unclear. Here, we use a combination of developmental genetics and computational modeling to show that serration development is the morphological read-out of a spatially distributed regulatory mechanism, which creates interspersed activity peaks of the growth-promoting hormone auxin and the CUP-SHAPED COTYLEDON2 (CUC2) transcription factor. This mechanism operates at the growing leaf margin via a regulatory module consisting of two feedback loops working in concert. The first loop relates the transport of auxin to its own distribution, via polar membrane localization of the PINFORMED1 (PIN1) efflux transporter. This loop captures the potential of auxin to generate self-organizing patterns in diverse developmental contexts. In the second loop, CUC2 promotes the generation of PIN1-dependent auxin activity maxima while auxin represses CUC2 expression. This CUC2-dependent loop regulates activity of the conserved auxin efflux module in leaf margins to generate stable serration patterns. Conceptualizing leaf margin development via this mechanism also helps to explain how other developmental regulators influence leaf shape.

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 Polyploidization, or whole genome duplication, is one of the major mechanisms of plant speciation. Allopolyploids (species that harbor polyploid genomes originating from hybridization of different diploid species) have been hypothesized to occupy a niche with intermediate, broader, or fluctuating environmental conditions compared with parental diploids. It remains unclear whether empirical data support this hypothesis and whether specialization of expression patterns of the homeologs (paralogous gene copies resulting from allopolyploidization) relates to habitat environments. Here, we studied the ecology and transcriptomics of a wild allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. hirsuta and C. amara at a fine geographical scale in their native area in Switzerland. We found that the diploid parents favored opposite extremes in terms of soil moisture, soil carbon-to-nitrogen ratios, and light availability. The habitat of the allopolyploid C. flexuosa was broader compared with those of its parental species and overlapped with those of the parents, but not at its extremes. In C. flexuosa , the genes related to water availability were overrepresented among those at both the expression level and the expression ratio of homeolog pairs, which varied among habitat environments. These findings provide empirical evidence for niche differentiation between an allopolyploid and its diploid parents at a fine scale, where both ecological and transcriptomic data indicated water availability to be the key environmental factor for niche differentiation. Significance statement Polyploidization, or whole genome duplication, is common in plants and may contribute to their ecological diversification. However, little is known about the niche differentiation of wild allopolyploids relative to their diploid parents and the gene expression patterns that may underlie such ecological divergence. We detected niche differentiation between the allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. amara and C. hirsuta along water availability gradient at a fine scale. The ecological differentiation was mirrored by the dynamic control of water availability-related gene expression patterns according to habitat environments. Thus, both ecological and transcriptomic data revealed niche differentiation between an allopolyploid species and its diploid parents.

Abstract Plants recognize surrounding microbes by sensing microbe-associated molecular patterns (MAMPs) to activate pattern-triggered immunity (PTI). Despite their significance for microbial control, the evolution of PTI responses remains largely uncharacterized. Employing comparative transcriptomics of six Arabidopsis thaliana accessions and three additional Brassicaceae species for PTI responses to the MAMP flg22, we identified a set of genes with expression changes under purifying selection in the Brassicaceae species and genes exhibiting species-specific expression signatures. Variation in flg22-triggered transcriptome and metabolome responses across Brassicaceae species was incongruent with their phylogeny while expression changes were strongly conserved within A. thaliana , suggesting directional selection for some species-specific gene expression. We found the enrichment of WRKY transcription factor binding sites in 5’-regulatory regions in conserved and species-specific responsive genes, linking the emergence of WRKY-binding sites with the evolution of gene responses in PTI. Our findings advance our understanding of transcriptome evolution during biotic stress.

How tissue-level information encoded by fields of regulatory gene activity is translated into the patterns of cell polarity and growth that generate the diverse shapes of different species remains poorly understood. Here, we investigate this problem in the case of leaf shape differences between

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