A detailed morphological description of wild‐type ovule development in Arabidopsis thaliana is presented. The entire process from the formation of the ovule protrusion until the eight‐nuclear endosperm stage is described. The study is based on a light‐microscopical analysis of stained and subsequently optically cleared whole‐mount ovules. It is supplemented by confocal laser scanning microscopy of propidium iodide‐stained whole‐mount ovules. It has been shown that the combination of both techniques eliminates the need for sections to a large extent, and hence allows the rapid morphological inspection of a large number of ovules in Arabidopsis . The ovule constitutes a relatively simple organ. During development, three discrete major pattern elements are laid down along the proximal‐distal axis: the nucellus at the distal end (harbors the megaspore/gametophyte lineage), the chalaza (flanked by the integuments) and the funiculus (includes the vascular strand) at the proximal end. These three pattern elements already appear at a very early stage, when the initially formed protrusion, consisting of files of uniform cells, is transformed into a patterned primordium. Subsequent morphogenesis results in the manifestation of the morphological characters of each pattern element. It was possible to dissect this developmental process into distinct, morphologically discernible steps at a high resolution. A classification scheme of ovule developmental stages is proposed, which is based on ovule‐specific, discrete, and easy‐to‐score markers.

ABSTRACT 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, and acquisition settings. 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.

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 Cell wall remodeling is essential for the control of growth and development as well as the regulation of stress responses. However, the underlying cell wall monitoring mechanisms remain poorly understood. Regulation of root hair fate and flower development in Arabidopsis thaliana requires signaling mediated by the atypical receptor kinase STRUBBELIG (SUB). Furthermore, SUB is involved in cell wall integrity signaling and regulates the cellular response to reduced levels of cellulose, a central component of the cell wall. Here, we show that continuous exposure to sub-lethal doses of the cellulose biosynthesis inhibitor isoxaben results in altered root hair patterning and floral morphogenesis. Genetically impairing cellulose biosynthesis also results in root hair patterning defects. We further show that isoxaben exerts its developmental effects through the attenuation of SUB signaling. Our evidence indicates that down-regulation of SUB is a multi-step process and involves changes in SUB complex architecture at the plasma membrane, enhanced removal of SUB from the cell surface, and downregulation of SUB transcript levels. The results provide molecular insight into how the cell wall regulates cell fate and tissue morphogenesis.

Regulation of microtubule dynamics is crucial during key developmental transitions such as gametogenesis, fertilization, embryogenesis, and seed formation, where cells undergo rapid changes in shape and function. In plants, katanin plays an essential role in microtubule dynamics. This study investigates two seed developmental mutants in

Abstract Intercellular communication plays a central role in organogenesis. Tissue morphogenesis in Arabidopsis thaliana requires signaling mediated by a cell surface complex containing the atypical receptor kinase STRUBBELIG (SUB) and the multiple C2 domains and transmembrane region protein QUIRKY (QKY). QKY is required to stabilize SUB at the plasma membrane. However, it is unclear what the in vivo architecture of the QKY/SUB signaling complex is, how it is controlled, and how it relates to the maintenance of SUB at the cell surface. Using a combination of yeast two-hybrid assays and Förster resonance energy transfer (FRET)/fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) in epidermal cells of seedling roots we find that QKY promotes the formation of SUB homo-oligomers in vivo, a process that appears to involve an interaction between the extracellular domains of SUB. We also show that QKY and SUB physically interact and form a complex at the cell surface in vivo. In addition, the data show that the N-terminal C2A-B region of QKY interacts with the intracellular domain of SUB. They further reveal that this interaction is essential to maintain SUB levels at the cell surface. Finally, we provide evidence that QKY forms homo-multimers in vivo in a SUB-independent manner. We suggest a model in which the physical interaction of QKY with SUB mediates the oligomerization of SUB and attenuates its internalization, thereby maintaining sufficiently high levels of SUB at the cell surface required for the control of tissue morphogenesis.

A fundamental question in biology is how organ morphogenesis comes about. The ovules of Arabidopsis thaliana have been established as a successful model to study numerous aspects of tissue morphogenesis; however, little is known regarding the relative contributions and dynamics of differential tissue and cellular growth and architecture in establishing ovule morphogenesis in different species. To address this issue, we generated a 3D digital atlas of Cardamine hirsuta ovule development with full cellular resolution. We combined quantitative comparative morphometrics and topological analysis to explore similarities and differences in the 3D cellular architectures underlying ovule development of the two species. We discovered that they show diversity in the way the three radial cell layers of the primordium contribute to its growth, in the formation of a new cell layer in the inner integument and, in certain cases, in the topological properties of the 3D cell architectures of homologous tissues despite their similar shape. Our work demonstrates the power of comparative 3D cellular morphometry and the importance of internal tissues and their cellular architecture in organ morphogenesis.

Plant cells are encased in a semi-rigid cell wall of complex build. As a consequence, cell wall remodeling is essential for the control of growth and development as well as the regulation of abiotic and biotic stress responses. Plant cells actively sense physico-chemical changes in the cell wall and initiate corresponding cellular responses. However, the underlying cell wall monitoring mechanisms remain poorly understood. In Arabidopsis the atypical receptor kinase STRUBBELIG (SUB) mediates tissue morphogenesis. Here, we show that SUB -mediated signal transduction also regulates the cellular response to a reduction in the biosynthesis of cellulose, a central carbohydrate component of the cell wall. SUB signaling affects early increase of intracellular reactive oxygen species, stress gene induction as well as ectopic lignin and callose accumulation upon exogenous application of the cellulose biosynthesis inhibitor isoxaben. Moreover, our data reveal that SUB signaling is required for maintaining cell size and shape of root epidermal cells and the recovery of root growth after transient exposure to isoxaben. SUB is also required for root growth arrest in mutants with defective cellulose biosynthesis. Genetic data further indicate that SUB controls the isoxaben-induced cell wall stress response independently from other known receptor kinase genes mediating this response, such as THESEUS1 or MIK2 . We propose that SUB functions in a least two distinct biological processes: the control of tissue morphogenesis and the response to cell wall damage. Taken together, our results reveal a novel signal transduction pathway that contributes to the molecular framework underlying cell wall integrity signaling.

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.