Keeping roots water-tight The Casparian strip provides a waterproofing function to plant roots, protecting them against unregulated influxes of water and minerals. The integrity of the Casparian strip depends on a receptor-like kinase. Doblas et al. and Nakayama et al. now identify the peptide ligands in the core of the root (the stele) that help regulate Casparian strip formation. The receptor is expressed on the outward-facing surface of the root endodermal cells that surround the stele. When the endodermal layer is sealed by the Casparian strip, the peptide ligands cannot reach their receptors. When the endodermal layer is breached, whether by damage or during development, the peptides reach their receptors and activate signaling that encourages lignin deposition, shoring up the strips. Science , this issue p. 280 , p. 284

ABSTRACT The invention of lignin has been at the heart of plants’ capacity to colonize land, allowing them to grow tall, transport water within their bodies and protect themselves against various stresses. Consequently, this polyphenolic polymer, that impregnates the cellulosic plant cell walls, now represents the second most abundant polymer on Earth, after cellulose itself. Yet, despite its great physiological, ecological and economical importance, our knowledge of lignin biosynthesis in vivo , especially the crucial last steps of polymerization within the cell wall, remains vague. Specifically, the respective roles and importance of the two main polymerizing enzymes classes, laccases and peroxidases have remained obscure. One reason for this lies in the very high numbers of laccases and peroxidases encoded by 17 and 73 homologous genes, respectively, in the Arabidopsis genome. Here, we have focused on a specific lignin structure, the ring-like Casparian strips (CS) within the endodermis of Arabidopsis roots. By reducing the number of possible candidate genes using cellular resolution expression and localization data and by boosting the levels of mutants that can be stacked using CRISPR/Cas9, we were able to knock-out more than half of all laccases in the Arabidopsis genome in a nonuple mutant – abolishing the vast majority of laccases with detectable endodermal-expression. Yet, we were unable to detect even slight defects in CS formation. By contrast, we were able to induce a complete absence of CS formation in a quintuple peroxidase mutant. Our findings are in stark contrast to the strong requirement of xylem vessels for laccase action and indicate that lignin in different cell types can be polymerized in very distinct ways. We speculate that cells lignify differently depending on whether they deposit lignin in a localized or ubiquitous fashion, whether they stay alive during and after lignification as well as the composition of the cell wall.

ABSTRACT Multiplex CRISPR-Cas9-based genome editing is an efficient method for targeted disruption of gene function in plants. Use of CRISPR-Cas9 has increased rapidly in recent years and is becoming a routine method for generating single and higher order Arabidopsis mutants. To facilitate rapid and efficient use of CRISPR/Cas9 for Arabidopsis research, we developed a CRISPR/Cas9-based toolbox for generating large deletions at multiple genomic loci, using two-color fluorescent seed selection. In our system, up-to eight gRNAs can be routinely introduced into a binary vector carrying either FastRed, FastGreen or FastCyan fluorescent seed selection cassette. Both, FastRed and FastGreen binary vectors, can be co-transformed as a cocktail via floral dip to introduce sixteen gRNAs at the same time. The seeds can be screened either for red or green fluorescence, or for the presence of both colors at the same time. Our approach provides fast and flexible cloning, avoids very big constructs and enables screening different order mutants in the same generation. Importantly, in the second generation after transformation, Cas9 free plants are identified simply by screening the dark, non-fluorescent seeds. Our collection of binary vectors allows to choose between two widely-used promoters to drive Cas enzymes, either the egg cell-specific ( pEC1.2 ) or ubiquitous promoter ( PcUBi4-2 ). Available enzymes are “classical” Cas9, a recently reported, intron-optimized version or Cpf1 (Cas12a). Finally, we have taken care to introduce convenient restriction sites flanking promoter, Cas9 and fluorescent selection cassette in the final T-DNA vectors, thus allowing straightforward swapping of all three elements for further adaptation and improvement of the system.

ABSTRACT Lignin is a complex polymer precisely deposited in the cell wall of specialised plant cells, where it provides essential cellular functions. Plants coordinate timing, location, abundance and composition of lignin deposition in response to endogenous and exogenous cues. In roots, a fine band of lignin, the Casparian strip encircles endodermal cells. This forms an extracellular barrier to solutes and water and plays a critical role in maintaining nutrient homeostasis. A signalling pathway senses the integrity of this diffusion barrier and can induce over-lignification to compensate for barrier defects. Here, we report that activation of this endodermal sensing mechanism triggers a transcriptional reprogramming strongly inducing the phenylpropanoid pathway and immune signaling. This leads to deposition of compensatory lignin that is chemically distinct from Casparian strip lignin. We also report that a complete loss of endodermal lignification drastically impacts mineral nutrients homeostasis and plant growth.

Summary To respond appropriately to diverse stimuli, cells harbour numerous receptor pathways yet share downstream signalling components. Mitogen-Activated Protein Kinase (MPK) cascades, present in all eukaryotes, act as central hubs shared amongst diverse signalling pathways. How signalling specificity is maintained within a single plant cell-type is not well understood. We engineered a genetic background for direct comparisons of a developmental and an immunity pathway in the Arabidopsis root endodermis. We show the two pathways maintain distinct outputs despite similar MPK phosphorylation patterns. Systematic activation of all individual MPK Kinases (MKKs) in the endodermis revealed that different MKK groups can drive distinct outputs. We propose that specificity is achieved through a balance of combinatorial activation and cross-pathway inhibition within the MPK cascade. Our findings demonstrate the ability of MPK cascades to generate diverse outputs in one plant cell-type, providing new insights into the mechanisms contributing to signalling specificity.

ABSTRACT Precise coordination between cells and tissues is essential for differential growth in plants. During lateral root formation in Arabidopsis thaliana, the endodermis is actively remodeled to allow outgrowth of the new organ. Here, we show that microtubule arrays facing lateral root founder cells display a higher order compared to arrays on the opposite wall of the same cell, and this asymmetry is required for endodermal remodeling and lateral root initiation. We identify that MICROTUBULE ASSOCIATED PROTEIN 70-5 is necessary for the establishment of this spatially defined microtubule organization and endodermis remodeling, and thus contributes to lateral root morphogenesis. We propose that MAP70-5 and cortical microtubule arrays in the endodermis integrate the mechanical signals generated by lateral root outgrowth, facilitating the channeling of organogenesis.

The plant embryonic cuticle is a hydrophobic barrier deposited de novo by the embryo during seed development. At germination it protects the seedling from water loss and is thus critical for survival. Embryonic cuticle formation is controlled by a signaling pathway involving the protease ALE1 and the receptor-like kinases GSO1 and GSO2. We show that a sulfated peptide, TWISTED SEED1 (TWS1) acts as a GSO1/GSO2 ligand. Cuticle surveillance depends on the action of ALE1 which, unlike TWS1 and GSO1/2, is not produced in the embryo but in the neighboring endosperm. Cleavage of an embryo-derived TWS1 precursor by ALE1 releases the active peptide, triggering GSO1/2-dependent cuticle reinforcement in the embryo. A bidirectional molecular dialogue between embryo and endosperm thus safeguards cuticle integrity prior to germination.

Plants use leucine-rich repeat receptor kinases (LRR-RKs) to sense sequence diverse peptide hormones at the cell surface. A 3.0 Å crystal structure of the LRR-RK GSO1/SGN3 regulating Casparian strip formation in the endodermis reveals a large spiral-shaped ectodomain. The domain provides a binding platform for 21 amino-acid CIF peptide ligands, which are tyrosine sulfated by the tyrosylprotein sulfotransferase TPST/SGN2. GSO1/SGN3 harbors a binding pocket for sulfotyrosine and makes extended backbone interactions with CIF2. Quantitative biochemical comparisons reveal that GSO1/SGN3 – CIF2 represents one of the strongest receptor-ligand pairs known in plants. Multiple missense mutations are required to block CIF2 binding in vitro , and GSO1/SGN3 function in vivo . Using structure-guided sequence analysis we uncover novel CIF peptides conserved among higher plants. Quantitative binding assays with known and novel CIFs suggest that the homologous LRR-RKs GSO1/SGN3 and GSO2 have evolved unique peptide binding properties to control different developmental processes. A quantitative biochemical interaction screen, a CIF peptide antagonist and genetic analyses together implicate SERK LRR-RKs as essential co-receptor kinases required for GSO1/SGN3 and GSO2 receptor activation. 0ur work provides a mechanistic framework for the recognition of sequence-divergent peptide hormones in plants.Significance Statement Two sequence-related plant membrane receptor kinases and their shape-complementary co-receptors are shown to selectively sense members of a small family of secreted peptide hormones to control formation of an important diffusion barrier in the plant root.

Abstract Premise of research In boreal forests with various snow cover conditions, local adaptation can be expected in spring root exploration due to soil freezing or competition for the fundamental niche. However, few studies have investigated the adaptive strategies for acquiring soil space and resources after snow thawing. To get insights for the eco-evolutional significance of root growth dynamics in boreal regions, this study evaluated the intraspecific variation of morphology and structures in pioneer roots and fibrous roots. Methodology Validation model specie was Abies sachalinensis , a representative boreal conifer species with local adaptation. Five-year-old seedlings derived from an eastern provenance with low snow cover and a northern provenance with high snow cover were grown for two years in a common garden of high snow cover region. To predict spring growth patterns of roots, seedlings were dug up in early spring just after snow thawing and late spring after one month has passed. Pioneer roots exploring soil space and fibrous roots acquiring soil resource were respectively collected, and their functions were evaluated by morphology and structures indicating its construction costs and maturity. Pivotal results In pioneer roots, morphological and structural difference between sampling months were significant only in northern provenance, and high construction cost and well-developed structure were observed in early spring. This represents the intraspecific variation in reaction norms of pioneer roots to spring soil environment, indicating the soil space exploration in northern provenance may start in early spring or earlier. In fibrous roots, differences of specific root length and area between sampling months were significant only in eastern provenance, and low construction cost were observed in early spring. This may reflect the plastic responses of fibrous roots to the condition of high snow cover region. Conclusions This study indicated that local adaptation to contrasting snow cover condition may lead to the differentiation of spring root growth dynamics for the competitive or conservative strategies. Our results address better understandings of the mechanisms of niche acquisition in evergreen conifer.

Production of reactive-oxygen species (ROS) by NADPH oxidases (NOXs) impacts many processes in animals and plants and many plant receptor pathways involve rapid, NOX-dependent increases of ROS. Yet, their general reactivity has made it challenging to pinpoint the precise role and direct cellular targets of ROS. A well-understood ROS target in plants are lignin peroxidases in the cell wall. Lignin can be deposited with exquisite spatial control, but the underlying mechanisms have remained elusive. Here we establish a full kinase signaling relay that exerts direct, spatial control over ROS production and lignification within the cell wall. We show that polar localization of a single kinase component is crucial for pathway function. Our data indicates that an intersection of more broadly localized components allows for micrometer-scale precision of lignification and that this system is triggered through initiation of ROS production as a critical peroxidase co-substrate.