Double Delivery During Plant Fertilization Double fertilization is a defining feature of flowering plants and involves two nonmotile male gametes (sperm cells) and two female gametes (egg cell and central cell). Both fertilization events are necessary for reproductive success. It is not clear how flowering plants ensure the reliable and on-time fusion of the two pairs of gametes, while preventing polyspermy. Sprunck et al. (p. 1093 ; see the Perspective by Snell ) now show that gamete interactions in Arabidopsis depend on small cysteine-rich EGG CELL 1 (EC1) proteins that accumulate in storage vesicles of the egg cell and that are released during sperm-egg interaction. EC1 peptides trigger the delivery of a fusogen to the sperm cell surface. An intercellular link connects the two sperm cells throughout the gamete fusion process and could play a role in preventing the spontaneous fusion of activated sperm cells.

Summary Small RNA pathway components and small RNA profiles of flowering plant egg cells are largely unexplored, mainly because they are not easily accessible but deeply buried inside the ovary. We describe here the utilization of proliferating callus tissue that adopted transcriptome features of Arabidopsis egg cell as a tool to explore small RNA pathway components and small RNA profiles in egg cells. We furthermore complement our studies with mRNA-Seq data from isolated Arabidopsis egg cells and provide data validation by promoter-reporter studies and whole mount i n situ hybridization. Sequencing of small RNA libraries demonstrate the predominance of TE-derived siRNAs in the egg cell-related callus. TE-features and expression profiles suggest post-transcriptional silencing of activated Gypsy -like LTR retrotransposons, whereas the majority of class II DNA transposons belonging to Copia, CACTA, hAT -like and Mutator superfamilies are subjected to transcriptional silencing. Small RNA-seq furthermore led to the identification of differentially expressed known and novel miRNAs whose expression in the egg cell was verified by small RNA whole mount in situ hybridization. Both the strong expression of miRNAs in the egg-cell-adjoining synergids and the secretion of miRNAs into the micropyle suggest hitherto undescribed roles for these accessory cells in intercellular communication with the egg cell and the arriving pollen tube. In conclusion, our datasets provide valuable and comprehensive resources to study small RNA pathways and small-RNA-mediated epigenetic reprogramming during egg cell differentiation and the onset of plant embryogenesis.

Abstract The evolution of plant organs, including leaves, stems, roots, and flowers, mediated the explosive radiation of land plants, which shaped the biosphere and allowed the establishment of terrestrial animal life. Furthermore, the fertilization products of angiosperms, seeds serve as the basis for most of our food. The evolution of organs and immobile gametes required the coordinated acquisition of novel gene functions, the co-option of existing genes, and the development of novel regulatory programs. However, our knowledge of these events is limited, as no large-scale analyses of genomic and transcriptomic data have been performed for land plants. To remedy this, we have generated gene expression atlases for various organs and gametes of 10 plant species comprising bryophytes, vascular plants, gymnosperms, and flowering plants. Comparative analysis of the atlases identified hundreds of organ- and gamete-specific gene families and revealed that most of the specific transcriptomes are significantly conserved. Interestingly, the appearance of organ-specific gene families does not coincide with the corresponding organ’s appearance, suggesting that co-option of existing genes is the main mechanism for evolving new organs. In contrast to female gametes, male gametes showed a high number and conservation of specific genes, suggesting that male reproduction is highly specialized. The expression atlas capturing pollen development revealed numerous transcription factors and kinases essential for pollen biogenesis and function. To provide easy access to the expression atlases and these comparative analyses, we provide an online database, www.evorepro.plant.tools , that allows the exploration of expression profiles, organ-specific genes, phylogenetic trees, co-expression networks, and others.