Quantitative analysis of plant and animal morphogenesis requires accurate segmentation of individual cells in volumetric images of growing organs. In the last years, deep learning has provided robust automated algorithms that approach human performance, with applications to bio-image analysis now starting to emerge. Here, we present PlantSeg, a pipeline for volumetric segmentation of plant tissues into cells. PlantSeg employs a convolutional neural network to predict cell boundaries and graph partitioning to segment cells based on the neural network predictions. PlantSeg was trained on fixed and live plant organs imaged with confocal and light sheet microscopes. PlantSeg delivers accurate results and generalizes well across different tissues, scales, acquisition settings even on non plant samples. We present results of PlantSeg applications in diverse developmental contexts. PlantSeg is free and open-source, with both a command line and a user-friendly graphical interface.

ABSTRACT Quantitative analysis of plant and animal morphogenesis requires accurate segmentation of individual cells in volumetric images of growing organs. In the last years, deep learning has provided robust automated algorithms that approach human performance, with applications to bio-image analysis now starting to emerge. Here, we present PlantSeg, a pipeline for volumetric segmentation of plant tissues into cells. PlantSeg employs a convolutional neural network to predict cell boundaries and graph partitioning to segment cells based on the neural network predictions. PlantSeg was trained on fixed and live plant organs imaged with confocal and light sheet microscopes. PlantSeg delivers accurate results and generalizes well across different tissues, scales, and acquisition settings. We present results of PlantSeg applications in diverse developmental contexts. PlantSeg is free and open-source, with both a command line and a user-friendly graphical interface.

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.

How plant cells re-establish differential growth to initiate organs is poorly understood. Morphogenesis of lateral roots relies on the tightly controlled radial expansion and asymmetric division of founder cells. The cellular mechanisms that license and ensure these features are unknown. Here, we quantitatively analyse F-actin and microtubule dynamics during LR initiation. Using mutants, pharmacological and tissue-specific genetic perturbations, we show that dynamic reorganisation of both microtubule and F-actin networks is required for the asymmetric expansion of the founder cells. This cytoskeleton remodelling intertwine with auxin signalling in the pericycle and endodermis in order for founder cells to acquire a basic polarity required for initiating LR development. Our results reveal the conservation of cell remodelling and polarisation strategies between the Arabidopsis zygote and lateral root founder cells. We propose that coordinated, auxin-driven reorganisation of the cytoskeleton licenses asymmetric cell growth and divisions during embryonic and post-embryonic organogenesis.

Abstract Lateral root formation determines to a large extent the ability of plants to forage their environment and thus their growth. In Arabidopsis thaliana and other angiosperms, lateral root initiation requires radial cell expansion and several rounds of anticlinal cell divisions that give rise to a central core of small pericycle cells, which express different markers than the larger surrounding cells. These small central cells then switch their plane of divisions to periclinal, and give rise to seemingly morphologically similar daughter cells that have different identities and establish the different cell types of the new root. Although the execution of these two types of divisions is tightly regulated and essential for the correct development of the lateral root, we know little about their geometrical features. Here we analyse a four-dimensional reconstruction of the first stages of lateral root formation and analyze the geometric features of the anticlinal and periclinal divisions. We identify that the periclinal divisions of the small central cells are morphologically dissimilar and asymmetric. We show that mother cell volume is different when looking at anticlinal versus periclinal divisions and the repeated anticlinal divisions do not lead to reduction in cell volume although cells are shorter. Finally, we show that cells undergoing a periclinal division are characterized by a strong cell expansion. Our results indicate that cells integrate growth and division to precisely partition their volume upon division during the first two stages of lateral root formation.

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.