Abstract Nitrogen is an essential macronutrient and its availability in soil plays a critical role in plant growth, development and impacts agricultural productivity. Plants have evolved different strategies to sense and respond to heterogeneous nitrogen distribution. Modulating root system architecture, including primary root growth and branching, is among the most essential plant adaptions to ensure adequate nitrogen acquisition. However, the immediate molecular pathways coordinating the adjustment of root growth in response to varying nitrogen sources are poorly understood. Here, using a combination of physiological, live in vivo high- and super resolution imaging, we describe a novel adaptation strategy of root growth on available nitrogen source. We show that growth, i.e . tissue-specific cell division and elongation rates are fine-tuned by modulating auxin flux within and between tissues. Changes in auxin redistribution are achieved by nitrogen source dependent post-translational modification of PIN2, a major auxin efflux carrier, at an uncharacterized, evolutionary conserved phosphosite. Further, we generate a computer model based on our results which successfully recapitulate our experimental observations and creates new predictions that could broaden our understanding of root growth mechanisms in the dynamic environment.

ABSTRACT Morphogenesis requires the coordination of cellular behaviors along developmental axes 1 . In plants, gradients of growth and differentiation are typically established along a single longitudinal primordium axis to control organ shaping 2 . Here we combine quantitative live-imaging at cellular resolution with genetics, chemical treatments, and modeling to understand the formation of Arabidopsis thaliana female reproductive organ (gynoecium). We show that, contrary to other aerial organs, gynoecium shape is determined by two competing differentiation gradients positioned along two orthogonal axes. An early mediolateral gradient, dependent on meristematic activity in the medial domain, controls the valve morphogenesis while simultaneously restricting an auxin-dependent, longitudinal gradient to the style. This gradient competition serves to finetune the common developmental program governing organ morphogenesis to ensure the specialized function of the gynoecium 3,4 .

Abstract In meristems, where new plant organs initiate, key stem cell regulators have been identified, but their link to cell cycle progression remains unclear. Here, we show that the root meristem has a positional gradient of G1 duration that ranges from ∼2 h near the meristem boundary to more than 20 h in stem cells and early derivatives. Mutants in the PLETHORA ( PLT ) genes shortened G1 length and flattened its gradient. Computer modeling of an incoherent feed-forward loop (IFFL) predicted the inference of a negative regulatory pathway. We propose that PLT genes play opposing roles, maintaining meristem and stem cell activity and inhibiting G1 progression through the CDK inhibitor KRP5, a PLT target, and RBR1. This establishes a previously undescribed proximal-distal feature of the root meristem in which a G1 duration gradient is shaped by stem cell and meristem maintenance regulators.

Abstract Plants grow roots to adjust their bodies to dynamic changes in the surrounding environment. How do plant roots emerge from the stem cell reservoir during embryogenesis is however poorly understood. Here, we present a bottom-up strategy to address this challenge by combining empirical observations with advanced computer modeling techniques. We demonstrate that the anisotropy of root growth results from differential growth rates of adjacent tissues, whereas the root meristem development incorporates a multi-level feedback loop between complex transport network of phytohormone auxin, auxin-dependent cell growth and cytoskeleton rearrangements. In silico model predictions are in close agreement with in vivo patterns of anisotropic growth, auxin distribution, and cell polarity, as well as several root phenotypes caused by chemical, mechanical, or genetic perturbations. Our findings reveal a minimal set of design principles connecting tissue mechanics, cell anisotropy, and directional transport that are sufficient for self-organization of the root meristem shape. A mobile auxin signal transported through immobile cells orchestrates polarity and growth mechanics to instruct the morphogenesis of an independent organ.

Abstract Control measures are being introduced globally to reduce the prevalence of antibiotic resistant (ABR) bacteria on farms. However, little is known about the current prevalence and molecular ecology of ABR in key opportunistic human pathogens such as Escherichia coli on South American farms. Working with 30 dairy cattle farms and 40 pig farms across two provinces in central-eastern Argentina, we report a comprehensive genomic analysis of third-generation cephalosporin resistance (3GC-R) in E. coli . 3GC-R isolates were recovered from 34.8% (cattle) and 47.8% (pigs) of samples from faecally contaminated sites. Phylogenetic analysis revealed substantial diversity suggestive of long-term horizontal transmission of 3GC-R mechanisms. Despite this, mechanisms such as CTX-M-15 and CTX-M-2 were detected more often in dairy farms, while CTX-M-8 and CMY-2, and co-carriage of amoxicillin/clavulanate resistance and florfenicol resistance were more commonly detected in pig farms. This suggests different selective pressures of antibiotic use in these two animal types, particularly the balance of fourth-versus third-generation cephalosporin use, and of amoxicillin/clavulanate and florfenicol use. We identified the β-lactamase gene bla ROB in 3GC-R E. coli , which has previously only been reported in the family Pasteurellaceae , including farmed animal pathogens. bla ROB was found alongside a novel florfenicol resistance gene – ydhC – also mobilised from a pig pathogen as part of a new plasmid-mediated composite transposon, which is already widely disseminated. These data set a baseline from which to measure the effects of interventions aimed at reducing on-farm ABR and provide an opportunity to investigate zoonotic transmission of resistant bacteria in this region. Importance Little is known about the ecology of critically important antibiotic resistance among opportunistic human pathogens (e.g. Escherichia coli ) on South American farms. By studying 70 farms in central-eastern Argentina, we identified that third-generation cephalosporin resistance (3GC-R) in E. coli was mediated by mechanisms seen more often in certain species (pigs or dairy cattle) and that 3GC-R pig E. coli were more likely to be co-resistant to florfenicol and amoxicillin/clavulanate. This suggests that on-farm antibiotic usage is key to selecting the types of E. coli present on these farms. 3GC-R E. coli were highly phylogenetically variable and we identified the de novo mobilisation of the resistance gene bla ROB , alongside a novel florfenicol resistance gene, from pig pathogens into E. coli on a mobile genetic element that was widespread in the study region. Overall, this shows the importance of surveying poorly studied regions for critically important antibiotic resistance which might impact human health.