In seed plants, shoot branching is initiated by the formation of new meristems in the axils of leaves, which subsequently develop into new axes of growth. This study describes the genetic control of axillary meristem formation by the LATERAL SUPPRESSOR (LAS) gene in Arabidopsis thaliana. las mutants show a novel phenotype that is characterized by the inability to form lateral shoots during vegetative development. The analysis shows that axillary meristem formation is differently regulated during different phases of development. During reproductive development, axillary meristems initiate in close proximity to the shoot apical meristem and do not require LAS function. In contrast, during the vegetative phase, axillary meristems initiate at a distance to the SAM and require LAS function. This control mechanism is conserved between the distantly related species tomato and Arabidopsis. Monitoring the patterns of LAS and SHOOT MERISTEMLESS transcript accumulation allowed us to identify early steps in the development of leaf axil identity, which seem to be a prerequisite for axillary meristem initiation. Other regulators of shoot branching, like REVOLUTA and AUXIN RESISTANT 1, act downstream of LAS. The results are discussed in the context of the "detached meristem" and the "de novo formation" concepts of axillary meristem formation.

Vernalization, the acceleration of flowering by winter, involves cold-induced epigenetic silencing of Arabidopsis FLC. This process has been shown to require conserved Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) components including the Su(z)12 homologue, VRN2, and two plant homeodomain (PHD) finger proteins, VRN5 and VIN3. However, the sequence of events leading to FLC repression was unclear. Here we show that, contrary to expectations, VRN2 associates throughout the FLC locus independently of cold. The vernalization-induced silencing is triggered by the cold-dependent association of the PHD finger protein VRN5 to a specific domain in FLC intron 1, and this association is dependent on the cold-induced PHD protein VIN3. In plants returned to warm conditions, VRN5 distribution changes, and it associates more broadly over FLC, coincident with significant increases in H3K27me3. Biochemical purification of a VRN5 complex showed that during prolonged cold a PHD-PRC2 complex forms composed of core PRC2 components (VRN2, SWINGER [an E(Z) HMTase homologue], FIE [an ESC homologue], MSI1 [p55 homologue]), and three related PHD finger proteins, VRN5, VIN3, and VEL1. The PHD-PRC2 activity increases H3K27me3 throughout the locus to levels sufficient for stable silencing. Arabidopsis PHD-PRC2 thus seems to act similarly to Pcl-PRC2 of Drosophila and PHF1-PRC2 of mammals. These data show FLC silencing involves changed composition and dynamic redistribution of Polycomb complexes at different stages of the vernalization process, a mechanism with greater parallels to Polycomb silencing of certain mammalian loci than the classic Drosophila Polycomb targets.

Long distance cell-to-cell communication is critical for the development of multicellular organisms. In this respect, plants are especially demanding as they constantly integrate environmental inputs to adjust growth processes to different conditions. One example is thickening of shoots and roots, also designated as secondary growth. Secondary growth is mediated by the vascular cambium, a stem cell-like tissue whose cell-proliferating activity is regulated over a long distance by the plant hormone auxin. How auxin signaling is integrated at the level of cambium cells and how cambium activity is coordinated with other growth processes are largely unknown. Here, we provide physiological, genetic, and pharmacological evidence that strigolactones (SLs), a group of plant hormones recently described to be involved in the repression of shoot branching, positively regulate cambial activity and that this function is conserved among species. We show that SL signaling in the vascular cambium itself is sufficient for cambium stimulation and that it interacts strongly with the auxin signaling pathway. Our results provide a model of how auxin-based long-distance signaling is translated into cambium activity and suggest that SLs act as general modulators of plant growth forms linking the control of shoot branching with the thickening of stems and roots.

Abstract Adventitious root formation is essential for the propagation of many commercially important plant species and involves the formation of roots from nonroot tissues such as stems or leaves. Here, we demonstrate that the plant hormone strigolactone suppresses adventitious root formation in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) and pea (Pisum sativum). Strigolactone-deficient and response mutants of both species have enhanced adventitious rooting. CYCLIN B1 expression, an early marker for the initiation of adventitious root primordia in Arabidopsis, is enhanced in more axillary growth2 (max2), a strigolactone response mutant, suggesting that strigolactones restrain the number of adventitious roots by inhibiting the very first formative divisions of the founder cells. Strigolactones and cytokinins appear to act independently to suppress adventitious rooting, as cytokinin mutants are strigolactone responsive and strigolactone mutants are cytokinin responsive. In contrast, the interaction between the strigolactone and auxin signaling pathways in regulating adventitious rooting appears to be more complex. Strigolactone can at least partially revert the stimulatory effect of auxin on adventitious rooting, and auxin can further increase the number of adventitious roots in max mutants. We present a model depicting the interaction of strigolactones, cytokinins, and auxin in regulating adventitious root formation.

Multipotent stem cell populations, the meristems, are fundamental for the indeterminate growth of plant bodies. One of these meristems, the cambium, is responsible for extended root and stem thickening. Strikingly, although the pivotal role of the plant hormone auxin in promoting cambium activity has been known for decades, the molecular basis of auxin responsiveness on the level of cambium cells has so far been elusive. Here, we reveal that auxin-dependent cambium stimulation requires the homeobox transcription factor WOX4. In Arabidopsis thaliana inflorescence stems, 1-N-naphthylphthalamic acid-induced auxin accumulation stimulates cambium activity in the wild type but not in wox4 mutants, although basal cambium activity is not abolished. This conclusion is confirmed by the analysis of cellular markers and genome-wide transcriptional profiling, which revealed only a small overlap between WOX4-dependent and cambium-specific genes. Furthermore, the receptor-like kinase PXY is required for a stable auxin-dependent increase in WOX4 mRNA abundance and the stimulation of cambium activity, suggesting a concerted role of PXY and WOX4 in auxin-dependent cambium stimulation. Thus, in spite of large anatomical differences, our findings uncover parallels between the regulation of lateral and apical plant meristems by demonstrating the requirement for a WOX family member for auxin-dependent regulation of lateral plant growth.

ABSTRACT Identity and functions of plant cells are influenced by their precise cellular location within the plant body. Cellular heterogeneity in growth and differentiation trajectories results in organ patterning. Therefore, assessing this heterogeneity at molecular scale is a major question in developmental biology. Single-cell transcriptomics (scRNA-seq) allows to characterize and quantify gene expression heterogeneity in developing organs at unprecedented resolution. However, the original physical location of the cell is lost during the scRNA-seq procedure. To recover the original location of cells is essential to link gene activity with cellular function and morphology. Here, we reconstruct genome-wide gene expression patterns of individual cells in a floral meristem by combining single-nuclei RNA-seq with 3D spatial reconstruction. By this, gene expression differences among meristematic domains giving rise to different tissue and organ types can be determined. As a proof of principle, the data are used to trace the initiation of vascular identity within the floral meristem. Our work demonstrates the power of spatially reconstructed single cell transcriptome atlases to understand plant morphogenesis. The floral meristem 3D gene expression atlas can be accessed at http://threed-flower-meristem.herokuapp.com

Abstract Understanding the context-specific role of gene function is a key objective of modern biology. To this end, we generated a resource for inducible cell-type specific trans-activation based on the well-established combination of the chimeric GR-LhG4 transcription factor and the synthetic pOp promoter. Harnessing the flexibility of the GreenGate cloning system, we produced a comprehensive set of GR-LhG4 driver lines targeting most tissues in the Arabidopsis shoot and root with a strong focus on the indeterminate meristems. We show that, when combined with effectors under control of the pOp promoter, tight temporal and spatial control of gene expression is achieved. In particular, inducible expression in F1 plants obtained from crosses of driver and effector lines allows rapid assessment of the cell type-specific impact of an effector with high temporal resolution. Thus, our comprehensive and flexible toolbox is suited to overcome the limitations of ubiquitous genetic approaches, the outputs of which are often difficult to interpret due to widespread existence of compensatory mechanisms and the integration of diverging effects in different cell types. One sentence summary: A set of lines enabling spatio-temporal control of gene expression in Arabidopsis.

ABSTRACT As a prerequisite for constant growth, plants can produce vascular tissues at different sites in their postembryonic body. In particular, the formation of vascular tissues during longitudinal and radial expansion of growth axes differs fundamentally with respect to its anatomical configuration. This raises the question to which level regulatory mechanisms of vascular tissue formation are shared throughout plant development. Here, we show that, similar as primary phloem formation during longitudinal growth, the cambium-based formation of secondary phloem depends on the function of SMXL genes. Using promoter reporter lines, we observe that SMXL4 and SMXL5 activities are associated with different stages of secondary phloem formation in Arabidopsis stems and the specific loss of SMXL5 function results in the absence of secondary phloem. Interestingly, the additional disruption of SMXL4 activity increases cell proliferation rates in the cambium region without that secondary phloem is formed. Based on genome-wide transcriptional profiling and expression analyses of phloem-related markers we conclude that early steps of phloem formation are impaired in smxl4;smxl5 double mutants and that additional cambium-derived cells fail in establishing any phloem-related feature. Our results show that molecular mechanisms determining primary and secondary phloem share important features but differ slightly with SMXL5 playing a more dominant role in the formation of secondary phloem.

Robust regulation of cell division is central to the formation of complex multi-cellular organisms and is a hallmark of stem cell activity. In plants, due to the absence of cell migration, the correct placement of newly produced cell walls during cell division is of eminent importance for generating functional tissues and organs. In particular, during the radial growth of plant shoots and roots, precise regulation and organization of cell divisions in the cambium are essential to produce adjacent xylem and phloem tissues in a strictly bidirectional manner. Although several intercellular signaling cascades have been identified to instruct tissue organization during radial growth, the role of mechanical forces in guiding cambium stem cell activity has been frequently proposed but, so far, not been functionally investigated on the cellular level. Here, we coupled anatomical analyses with a cell-based vertex model to analyze the role of mechanical stress in radial plant growth at the cell and tissue scale. Simulations based on segmented cellular outlines of radially growing Arabidopsis hypocotyls revealed a distinct stress pattern with circumferential stresses in cambium stem cells, which coincided with the orientation of cortical microtubules. Integrating stress patterns as a cue instructing cell division orientation was sufficient for the emergence of typical cambium-derived cell files and agreed with experimental results for stress-related tissue organization in confining mechanical environments. Our work thus underlines the significance of mechanical forces in tissue organization through self-emerging stress patterns during the growth of plant organs.