Environmental cues profoundly modulate cell proliferation and cell elongation to inform and direct plant growth and development. External phosphate (Pi) limitation inhibits primary root growth in many plant species. However, the underlying Pi sensory mechanisms are unknown. Here we genetically uncouple two Pi sensing pathways in the root apex of Arabidopsis thaliana. First, the rapid inhibition of cell elongation in the transition zone is controlled by transcription factor STOP1, by its direct target, ALMT1, encoding a malate channel, and by ferroxidase LPR1, which together mediate Fe and peroxidase-dependent cell wall stiffening. Second, during the subsequent slow inhibition of cell proliferation in the apical meristem, which is mediated by LPR1-dependent, but largely STOP1-ALMT1-independent, Fe and callose accumulate in the stem cell niche, leading to meristem reduction. Our work uncovers STOP1 and ALMT1 as a signalling pathway of low Pi availability and exuded malate as an unexpected apoplastic inhibitor of root cell wall expansion.

Abstract MicroRNAs (miRNAs) regulate gene expression posttranscriptionally through RNA silencing, a mechanism conserved in eukaryotes. Prevailing models entail most animal miRNAs affecting gene expression by blocking mRNA translation and most plant miRNAs, triggering mRNA cleavage. Here, using polysome fractionation in Arabidopsis thaliana, we found that a portion of mature miRNAs and ARGONAUTE1 (AGO1) is associated with polysomes, likely through their mRNA target. We observed enhanced accumulation of several distinct miRNA targets at both the mRNA and protein levels in an ago1 hypomorphic mutant. By contrast, translational repression, but not cleavage, persisted in transgenic plants expressing the slicing-inhibitor 2b protein from Cucumber mosaic virus. In agreement, we found that the polysome association of miR168 was lost in ago1 but maintained in 2b plants, indicating that translational repression is correlated with the presence of miRNAs and AGO1 in polysomes. This work provides direct biochemical evidence for a translational component in the plant miRNA pathway.

Abstract Respiratory oxidative phosphorylation is a cornerstone of cellular metabolism in aerobic multicellular organisms. The efficiency of this process is generally assumed to be maximized, but the presence of dynamically regulated nonphosphorylating bypasses implies that plants can alter phosphorylation efficiency and can benefit from lowered energy generation during respiration under certain conditions. We characterized an Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) mutant, ndufs4 (for NADH dehydrogenase [ubiquinone] fragment S subunit 4), lacking complex I of the respiratory chain, which has constitutively lowered phosphorylation efficiency. Through analysis of the changes to mitochondrial function as well as whole cell transcripts and metabolites, we provide insights into how cellular metabolism flexibly adapts to reduced phosphorylation efficiency and why this state may benefit the plant by providing moderate stress tolerance. We show that removal of the single protein subunit NDUFS4 prevents assembly of complex I and removes its function from mitochondria without pleiotropic effects on other respiratory components. However, the lack of complex I promotes broad changes in the nuclear transcriptome governing growth and photosynthetic function. We observed increases in organic acid and amino acid pools in the mutant, especially at night, concomitant with alteration of the adenylate content. While germination is delayed, this can be rescued by application of gibberellic acid, and root growth assays of seedlings show enhanced tolerance to cold, mild salt, and osmotic stress. We discuss these observations in the light of recent data on the knockout of nonphosphorylating respiratory bypass enzymes that show opposite changes in metabolites and stress sensitivity. Our data suggest that the absence of complex I alters the adenylate control of cellular metabolism.

Since the endosymbiotic origin of chloroplasts from cyanobacteria 2 billion years ago, the evolution of plastids has been characterized by massive loss of genes. Most plants and algae depend on photosynthesis for energy and have retained ∼110 genes in their chloroplast genome that encode components of the gene expression machinery and subunits of the photosystems. However, nonphotosynthetic parasitic plants have retained a reduced plastid genome, showing that plastids have other essential functions besides photosynthesis. We sequenced the complete plastid genome of the underground orchid, Rhizanthella gardneri. This remarkable parasitic subterranean orchid possesses the smallest organelle genome yet described in land plants. With only 20 proteins, 4 rRNAs, and 9 tRNAs encoded in 59,190 bp, it is the least gene-rich plastid genome known to date apart from the fragmented plastid genome of some dinoflagellates. Despite numerous differences, striking similarities with plastid genomes from unrelated parasitic plants identify a minimal set of protein-encoding and tRNA genes required to reside in plant plastids. This prime example of convergent evolution implies shared selective constraints on gene loss or transfer.

ABSTRACT Mycoheterotrophic plants have lost the ability to photosynthesize and they parasitize their associated fungus to get the mineral and organic nutrients they need. Despite involving radical changes in life history traits and ecological requirements, the transition from autotrophy to mycoheterotrophy occurred independently in almost all major lineages of land plants, but most often in Orchidaceae . Yet the molecular mechanisms underlying this shift are still poorly understood. The comparison of the transcriptomes of Epipogium aphyllum and Neottia nidus-avis , two mycoheterotrophic orchids, to other autotrophic and mycoheterotrophic orchids showed massive molecular function losses restricted to photosynthetic activities. In addition to these targeted losses, the analysis of their expression profiles showed that many orthologs had inverted root/shoot ratios compared to autotrophic species. Fatty acid and amino acid biosynthesis as well as primary cell wall metabolism were among the pathways most impacted by this expression reprogramming. Our study suggests that, while associated with function losses rather than metabolic innovations, the shift in nutritional mode from autotrophy to mycoheterotrophy remodeled the architecture of the plant metabolism.

Summary Despite the essential role of Specialized Metabolites (SMs) in the interaction of plants with the environment, studying the ability of crop seeds to produce these protective compounds has been neglected. Furthermore, seeds produce a myriad of SMs providing an interesting model to investigate their diversity and plasticity. Camelina sativa gained a lot of interest in the past few years as rustic oil seed crop. A characterization of seed SM landscapes in six camelina genotypes grown in the field and harvested during five growing seasons has been undertaken in this work. This allowed a comprehensive annotation of seed SMs combining analyses that cluster SMs based on their chemical structures and co-accumulation patterns. These data showed broad effects of the environment on the stimulation of the seed-specialized metabolome. Among well annotated compounds, flavonols were identified as the metabolic class characterised by high plasticity, revealing significant variable accumulation according to the year and/or the genotype. Lastly, a deeper characterisation of primary metabolites and lipids in two selected genotypes has been performed. We showed that, in addition to flavonols, alkaloids and glucosinolates displayed a higher phenotypic plasticity with respect to most of the primary metabolites, including some sugars and major storage compounds such as fatty acids, proteins and most lipid classes (e.g. DAG, TAG), but similar plasticity compared to free aminoacids and carboxylic acids. This work highlighted major and unexplored effects of the environment on the seed specialized metabolome demonstrating that seeds exhibit a dynamic and plastic metabolism, with an impact on seed quality. Significance statement Seeds produce a myriad of Specialized Metabolites (SMs) with an essential role in the interaction of plants with the environment. We characterized SM landscapes, primary metabolites and lipid composition in the seeds of camelina genotypes grown in the open field in five consecutive growing seasons. Our results showed the predominant effect of the environment on the regulation of the seed - specialized metabolome, with a potential impact on seed quality of camelina that may also occur in other oilseed crops.

Summary Plant defense responses involve several biological processes that allow plants to fight against pathogenic attacks. How these different processes are orchestrated within organs and depend on specific cell types is poorly known. Here, using scRNA-seq technology on three independent biological replicates, we identified 10 distinct cell populations in wild-type Arabidopsis leaves inoculated with the bacterial pathogen Pseudomonas syringae DC3000. Among those, we retrieved major cell types of the leaves (mesophyll, guard, epidermal, companion and vascular S cells) to which we could associate characteristic transcriptional reprogramming and regulators, thereby specifying different cell-type responses to the pathogen. Further analyses of transcriptional dynamics, based on inference of cell trajectories, indicated that the different cell types, in addition to their characteristic defense responses, can also share similar modules of gene reprogramming, allowing for instance vascular S cells, epidermal cells and mesophyll cells to converge towards an identical cell fate, mostly characterized by lignification and detoxification functions. Moreover, it appeared that the defense responses of these three cell types can evolve along a second separate path. As this divergence does not correspond to the differentiation between immune and susceptible cells, we speculate that this might reflect the discrimination between cell-autonomous and non-cell-autonomous responses. Altogether our data provide an upgraded framework to describe, explore and explain the specialization and the coordination of plant cell responses upon pathogenic challenge.

Abstract When covered by a layer of soil, seedling development follows a dark-specific program (skoto-morphogenesis) consisting of small, non-green cotyledons, a long hypocotyl and an apical hook to protect meristematic cells. We recently highlighted the role played by mitochondria in the high energy-consuming reprogramming of Arabidopsis skoto-morphogenesis. Here, the role played by plastids, another energy supplying organelle, in skoto-morphogenesis is investigated. This study was conducted in dark conditions to exclude light signals so as to better focus on those produced by plastids. It was found that limitation of plastid gene-expression (PGE) induced an exaggerated apical hook bending. Inhibition of PGE was obtained at the level of transcription and translation using the antibiotics rifampicin and spectinomycin, respectively, as well as plastid RPOTP RNA polymerase mutants. Rifampicin-treated seedlings also showed expression induction of marker nuclear genes for mitochondrial stress, perturbation of the mitochondrial metabolism, increase of ROS levels and an augmented capacity of oxygen consumption by mitochondrial alternative oxidases (AOX). AOX enzymes act to prevent over-reduction of the mitochondrial electron transport chain. Previously, we reported that AOX1A, the main AOX isoform, was a key component in the developmental response to mitochondrial respiration deficiency. In this work, we suggest the involvement of AOX1A in the response to PGE dysfunction and propose the importance of signalling between plastids and mitochondria. Finally, it was found that seedling architecture reprogramming in response to rifampicin was independent of canonical organelle retrograde pathways and the ethylene signaling pathway. Significance statement In underground germination conditions, seedling development follows a dark-specific program (skoto-morphogenesis) consisting of small and non-green cotyledons, a long hypocotyl and an apical hook to protect meristematic cells. We show that skoto-morphogenesis is reprogrammed when plastid gene expression is perturbed leading to an exaggeration of apical hook bending. We propose the involvement of the cooperation between plastids and mitochondria, the energy-supplying organelles of the cell.

Background: Root architecture varies widely between species and even between ecotypes of the same species despite the strong conservation of the protein-coding portion of their genomes. In contrast, non-coding RNAs evolved rapidly between ecotypes and may control their differential responses to the environment as several long non-coding RNAs (lncRNAs) can quantitatively regulate gene expression. Results: Roots from Columbia (Col) and Landsberg erecta (Ler) ecotypes respond differently to phosphate starvation. We compared complete transcriptomes (mRNAs, lncRNAs and small RNAs) of root tips from these two ecotypes during early phosphate starvation. We identified thousands of new lncRNAs categorized as intergenic or antisense RNAs that were largely conserved at DNA level in these ecotypes. In contrast to coding genes, many lncRNAs were specifically transcribed in one ecotype and/or differentially expressed between ecotypes independently of the phosphate condition. These ecotype-related lncRNAs were characterized by analyzing their sequence variability among plants and their link with siRNAs. Our analysis identified 675 lncRNAs differentially expressed between the two ecotypes including specific antisense RNAs targeting key regulators of root growth responses. Mis-regulation of several intergenic lncRNAs showed that at least two ecotype-related lncRNAs regulate primary root growth in Col. Conclusions: The in depth exploration of the non-coding transcriptome of two ecotypes identified thousands of new lncRNAs showing specific expression in root apexes. De-regulation of two ecotype-related lncRNAs revealed a new pathway involved in the regulation of primary root growth. The non-coding genome may reveal novel mechanisms involved in ecotype adaptation of roots to different soil environments.

ABSTRACT Communication between organelles and the nucleus is referred to as anterograde (nucleus to organelle) and retrograde (organelle to nucleus) signalling. In plants, the pentatricopeptide repeat (PPR) proteins represent a large family of nuclear-encoded proteins that are required for post-transcriptional control of chloroplast and mitochondria gene expression, and hence play a central role in the nuclear anterograde control of organelle genome expression. How PPR gene expression is controlled and regulated by retrograde signals is, however, still unknown. Here, we report a significant role for the general transcription factor TFIIF α-subunit (TFIIFα) in controlling PPR gene expression in Arabidopsis. First, we found that TFIIFα interacts with the BIN4 subunit of the Topoisomerase VI (Topo VI). Transcriptome analysis of TFIIF and Topo VI mutant lines then revealed that many PLS-type PPR genes involved in RNA editing are reciprocally controlled by TFIIF and Topo VI. The misexpression of CLB19 and DYW1 genes in two allelic tfIIfα mutants was associated with editing impairments in their plastid target RNAs rpoA and ndhD , respectively. Interestingly, we also detected a change in NDH activity in tfIIfα plants. We also show that TFIIFα and Topo VI coordinate the expression of NDH subunits encoded by the nuclear and plastid genomes. These results reveal the crucial role of the nuclear TFIIFα and Topo VI complexes in controlling plastid genome expression at multiple levels of regulation, including the particular regulation of PPR gene expression.