Abstract KNOX and BELL transcription factors regulate distinct steps of diploid development in the green lineages. In the green alga Chlamydomonas reinhardtii, KNOX and BELL proteins are inherited by gametes of the opposite mating types, and heterodimerize in zygotes to activate diploid development. By contrast, in land plants such as Physcomitrella and Arabidopsis, KNOX and BELL proteins function in meristem maintenance and organogenesis during the later stages of diploid development. However, whether the contrasting functions of KNOX and BELL were acquired independently in algae and land plants is currently unknown. Here we show that in the basal land plant species Marchantia polymorpha , gamete-expressed KNOX and BELL are required to initiate zygotic development by promoting nuclear fusion in a manner strikingly similar to that of C. reinhardtii . Our results indicate that zygote activation is the ancestral role of KNOX/BELL transcription factors, which shifted toward meristem maintenance as land plants evolved.

Abstract 4-methylcytosine (4mC) is an important DNA modification in prokaryotes, but its relevance, and even presence in eukaryotes have been mysterious. Here we show that spermatogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha involves two waves of extensive DNA methylation reprogramming. First, 5-methylcytosine (5mC), a well-known eukaryotic DNA modification, expands from transposons to the entire genome. Notably, the second wave installs 4mC throughout genic regions, covering over 50% of CG sites in sperm. 4mC is catalyzed by two novel methyltransferases (MpDN4MT1a and MpDN4MT1b) specifically expressed during late spermiogenesis. Deletion of Mp DN4MT1s eliminates 4mC, alters the sperm transcriptome, and produces sperm with swimming defects. Our results reveal extensive 4mC in a eukaryote and define a new family of eukaryotic methyltransferases, thereby expanding the repertoire of functional eukaryotic DNA modifications.

ABSTRACT Mobile microRNAs (miRNAs) serve as local and long-distance signals in developmental patterning and stress responses in plants. However, mechanisms governing the non-cell autonomous activities of miRNAs remain elusive. Here, we show that mutations that disrupt microtubule dynamics are specifically defective for the non-cell autonomous actions of mobile miRNAs, including miR165/6 that is produced in the endodermis and moves to the vasculature to pattern xylem cell fates in Arabidopsis roots. We show that KTN1, a subunit of a microtubule-severing enzyme, is required in source and intermediary cells to inhibit the loading of miR165/6 into ARGONUATE1 (AGO1), which is cell-autonomous, to enable the miRNA‟s cell exit. Microtubule disruption enhances the association of miR165/6 with AGO1 in the cytosol. These findings suggest that, while cell-autonomous miRNAs load into AGO1 in the nucleus, cytoplasmic AGO1 loading of mobile miRNAs is a key step regulated by microtubules to promote the range of miRNA‟s cell-to-cell movement.

Abstract Border-like cells (BLCs) are sheets of cells that are continuously sloughed off and replenished at the Arabidopsis root cap surface. ROOT CAP POLYGALACTURONASE (RCPG) encodes a putative pectinase involved in BLC shedding. Xylogalacturonan (XGA) is a pectic polysaccharide whose synthesis is associated with cell detachment and secreted separately from other cell wall polysaccharides. BEARSKIN1 (BRN1) and BRN2 are Arabidopsis NAC family transcription factors, and RCPG expression is inhibited in brn1/2 . To explore the link between XGA and RCPG, we examined XGA synthesis in Arabidopsis lines with altered RCPG levels. We found that RCPG was contained in XGA-carrying vesicles budding from the trans -Golgi, but XGA synthesis was not affected in the rcpg mutant. XGA was absent in BLCs of brn2 , but not of brn1 , indicating that BRN2 is necessary for XGA synthesis. Overexpression of functional RCPG-GFP ( oeRCPG-GFP ) caused upregulation of BRN2 , ectopic XGA synthesis, overaccumulation of endogenous RCPG, and accelerated BLC turnover, suggesting a positive regulatory loop between RCPG and BRN2. Inactivation of BRN2 in oeRCPG-GFP suppressed RCPG-GFP expression, excess RCPG, and XGA synthesis. Our data provide evidence that XGA and RCPG are secreted together and that BRN2 controls XGA synthesis, which facilitates RCPG export and BLC separation.

Abstract The root cap is a multi-layered tissue covering the tip of a plant root that directs root growth through its unique functions such as gravity-sensing and rhizosphere interaction. To prevent damages from the soil environment, cells in the root cap continuously turn over through balanced cell division and cell detachment at the inner and the outer cell layers, respectively. Upon displacement toward the outermost layer, columella cells at the central root cap domain functionally transition from gravity-sensing cells to secretory cells, but the mechanisms underlying this drastic cell fate transition are largely unknown. By using live-cell tracking microscopy, we here show that organelles in the outermost cell layer undergo dramatic rearrangements, and at least a part of this rearrangement depends on spatiotemporally regulated activation of autophagy. Notably, this root cap autophagy does not lead to immediate cell death, but rather is necessary for organized separation of living root cap cells, highlighting a previously undescribed role of developmentally regulated autophagy in plants. Summary statement Time-lapse microscope imaging revealed spatiotemporal dynamics of intracellular reorganization associated with functional transition and cell separation in the Arabidopsis root cap and the roles of autophagy in this process.