Sugar has only recently been identified as a key player in triggering bud outgrowth, while hormonal control of bud outgrowth is already well established. To get a better understanding of sugar control, the present study investigated how sugar availability modulates the hormonal network during bud outgrowth in Rosa hybrida. Other plant models, for which mutants are available, were used when necessary. Buds were grown in vitro to manipulate available sugars. The temporal patterns of the hormonal regulatory network were assessed in parallel with bud outgrowth dynamics. Sucrose determined bud entrance into sustained growth in a concentration-dependent manner. Sustained growth was accompanied by sustained auxin production in buds, and sustained auxin export in a DR5::GUS-expressing pea line. Several events occurred ahead of sucrose-stimulated bud outgrowth. Sucrose upregulated early auxin synthesis genes (RhTAR1, RhYUC1) and the auxin efflux carrier gene RhPIN1, and promoted PIN1 abundance at the plasma membrane in a pPIN1::PIN1-GFP-expressing tomato line. Sucrose downregulated both RwMAX2, involved in the strigolactone-transduction pathway, and RhBRC1, a repressor of branching, at an early stage. The presence of sucrose also increased stem cytokinin content, but sucrose-promoted bud outgrowth was not related to that pathway. In these processes, several non-metabolizable sucrose analogues induced sustained bud outgrowth in R. hybrida, Pisum sativum, and Arabidopsis thaliana, suggesting that sucrose was involved in a signalling pathway. In conclusion, we identified potential hormonal candidates for bud outgrowth control by sugar. They are central to future investigations aimed at disentangling the processes that underlie regulation of bud outgrowth by sugar.

Abstract - Shoot branching, a major component of shoot architecture, is regulated by multiple signals. Previous studies have indicated that sucrose may promote branching through suppressing the inhibitory effect of the hormone strigolactone (SL). However, the molecular mechanisms underlying this effect are unknown. - Here we used molecular and genetic tools to identify the molecular targets underlying the antagonistic interaction between sucrose and SL. - We showed that sucrose antagonises the suppressive action of SL on tillering in rice and on the degradation of D53, a major target of SL signalling. Sucrose inhibits the expression of D3 , the orthologue of the arabidopsis F-box protein MAX2 required for SL signalling. Over-expression of D3 prevents sucrose from inhibiting D53 degradation and enabled the SL inhibition of tillering under high sucrose. Sucrose also prevents SL-induced degradation of D14, the SL receptor involved in D53 degradation. Interestingly, D14 over-expression enhances D53 protein levels and sucrose-induced tillering. - Our results show that sucrose inhibits SL perception by targeting key components of SL signalling and, together with previous studies reporting the inhibition of SL synthesis by nitrate and phosphate, demonstrate the central role played by strigolactones in the regulation of plant architecture by nutrients.

SUMMARY - Trehalose 6-phosphate (Tre6P) is a sucrose signalling metabolite that has been implicated in regulation of shoot branching, but its precise role is not understood. - We expressed tagged forms of TREHALOSE-6-PHOSPHATE SYNTHASE1 (TPS1) to determine where Tre6P is synthesized in arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ), and investigated the impact of localized changes in Tre6P levels, in axillary buds or vascular tissues, on shoot branching in wild-type and branching mutant backgrounds. - TPS1 is expressed in axillary buds and the subtending vasculature, as well as in the leaf and stem vasculature. Expression of a heterologous trehalose-6-phosphate phosphatase (TPP) to lower Tre6P in axillary buds strongly delayed bud outgrowth in long days and inhibited branching in short days. TPP expression in the vasculature also delayed lateral bud outgrowth and decreased branching. Increased Tre6P in the vasculature enhanced branching and was accompanied by higher expression of FLOWERING LOCUS T ( FT) and up-regulation of sucrose transporters. Increased vascular Tre6P levels enhanced branching in branched1 but not in ft mutant backgrounds. - These results provide direct genetic evidence of a local role for Tre6P in regulation of axillary bud outgrowth within the buds themselves, and also connect Tre6P with systemic regulation of shoot branching via FT.

Abstract The ontogenetic regulation of shoot branching allows plants to adjust their architecture in accordance with the environment. This process is due to the regulation of axillary bud outgrowth into branches, which can be induced by increasing sugar availability to the buds through decapitation of the shoot tip. Different sugar signalling components have been identified in the induction of shoot branching. However, the molecular components that maintain bud dormancy in response to sugar starvation remain largely unknown. Here, we show at the genetic level that basic leucine zipper 11 (bZIP11), a transcription factor that plays important roles in response to sugar starvation in plants, inhibits shoot branching in Arabidopsis thaliana . Physiology experiments demonstrated that bZIP11 protein levels are decreased by decapitation. Molecular and genetic evidence suggests that bZIP11 acts in a negative feedback loop with trehalose 6-phosphate (Tre6P), a sugar signal that promotes shoot branching. Our data also suggest that the central energy sensor SUCROSE NON-FERMENTING 1 RELATED KINASE1 (SnRK1), alleviates the inhibitory effect of Tre6P on bZIP11 protein accumulation and inhibits shoot branching. Altogether, these data provide a working model that involves bZIP11, Tre6P and SnRK1 in the regulation of shoot branching.

Abstract The inhibition of shoot branching by the growing shoot tip of plants, termed apical dominance, was originally thought to be mediated by auxin. Recently the importance of the shoot tip sink strength during apical dominance has re-emerged with recent studies highlighting roles for sugars in promoting branching. This raises many unanswered questions on the relative roles of auxin and sugars in apical dominance. Here we show that auxin regulation of cytokinins, which promote branching, is significant only after an initial stage of branching we call bud release. During this early bud release stage, rapid cytokinin increases are associated with enhanced sugars. Auxin may also act through strigolactones which have been shown to suppress branching after decapitation, but here we show that strigolactones do not have a significant effect on initial bud outgrowth after decapitation. We report here that when sucrose or cytokinin is abundant, strigolactones are less inhibitory during the bud release stage compared to later stages and that strigolactone treatment rapidly inhibits cytokinin accumulation in pea axillary buds of intact plants. After initial bud release, we find an important role of gibberellin in promoting sustained bud growth downstream of auxin. We are therefore able to suggest a model of apical dominance that integrates auxin, sucrose, strigolactones, cytokinins and gibberellins and describes differences in signalling across stages of bud release to sustained growth.

Abstract Plants exhibit an immense plasticity in their architecture. While the impact of hormonal regulation is well-characterised, the importance of sugar-signalling has just recently emerged. Here, we addressed which sugar-signalling components mediate the trade-off between growth of apical versus lateral meristems and how they control organ sink-strength. Thereby, we unravelled a novel developmental function of the sugar-controlled S 1 basic-leucine-zipper (S 1 -bZIP) transcription factors in establishing global source-sink interactions. Applying comprehensive molecular, analytical, and genetic approaches, we demonstrate that S 1 -bZIPs operate in a redundant manner to control tissue-specific expression of defined SWEET sugar-transporters and the GAT1_2.1 glutaminase. By these means, S 1 -bZIPs control carbohydrate (C)-channelling from source leaves to apical shoot and root organs and tune systemic organic nitrogen (N)-supply to restrict lateral organ formation by C/N depletion. Knowledge of the underlying mechanisms controlling plant C/N partitioning is of pivotal importance for breeding strategies to generate plants with desired architectural and nutritional characteristics.

ABSTRACT - Plant architecture is controlled by several endogenous signals including hormones and sugars. However, only little is known about the nature and roles of the sugar signalling pathways in this process. Here we test whether the sugar pathway mediated by HEXOKINASE1 (HXK1) is involved in the control of shoot branching. - To test the involvement of HXK1 in the control of shoot architecture we modulated the HXK1 pathway using physiological and genetic approaches in diverse plants, rose, arabidopsis and pea and evaluated impacts of hormonal pathways. - We show that triggering a hexokinase-dependent pathway was able to promote bud outgrowth in pea and rose. In arabidopsis, both HXK1 deficiency and defoliation led to decreased shoot branching and conferred hypersensitivity to auxin. HXK1 expression was positively correlated with sugar availability. HXK1-deficient plants displayed decreased cytokinin levels and increased expression of MAX2 which is required for strigolactone signalling. The branching phenotype of HXK1-deficient plants could be partly restored by cytokinin treatment and strigolactone deficiency could override the negative impact of HXK1 deficiency on shoot branching. - Our observations demonstrate that a HXK1-dependent pathway contributes to the regulation of shoot branching and interact with hormones to modulate plant architecture.

ABSTRACT Shoot branching is a complex mechanism in which secondary shoots grow from buds that are initiated from meristems established in leaf axils. The model plant Arabidopsis thaliana has a rosette leaf growth pattern in the vegetative stage. After flowering initiation, the main stem starts to elongate with the top leaf primordia developing into cauline leaves. Meristems in arabidopsis are initiated in the axils of rosette or cauline leaves, giving rise to rosette or cauline buds, respectively. Plasticity in the process of shoot branching is regulated by resource and nutrient availability as well as by plant hormones. However, few studies have attempted to test whether cauline and rosette branching are subject to the same plasticity. Here, we addressed this question by phenotyping cauline and rosette branching in three arabidopsis ecotypes and several arabidopsis mutants with varied shoot architectures. Our results show that there is no negative correlation between cauline and rosette branch numbers in arabidopsis, demonstrating that there is no trade-off between cauline and rosette bud outgrowth. Through investigation of the altered branching pattern of flowering pathway mutants and arabidopsis ecotypes grown in various photoperiods and light regimes, we further elucidated that the number of cauline branches is closely related to flowering time. The number or rosette branches has an enormous plasticity compared with cauline branches and is influenced by genetic background, flowering time, light intensity and temperature. Our data reveal different plasticity in the regulation of branching at rosette and cauline nodes and promote a framework for future branching analyses. One sentence summary Different plasticity of branching at cauline and rosette nodes of arabidopsis is revealed through detailed correlative analyses of branching under varied genetic and environmental contexts.

Abstract Predictive breeding is now widely practised in crop improvement programs and has accelerated selection response (i.e., the amount of genetic gain between breeding cycles) for complex traits. However, world food production needs to increase further to meet the demands of the growing human population. The prediction of complex traits with current methods can be inconsistent across different genetic, environmental, and agronomic management contexts because the complex relationships between genomic and phenotypic variation are not well accounted for. Therefore, developing gene-to-phenotype network models for traits that integrate the knowledge of networks from systems biology, plant and crop physiology with population genomics has been proposed to close this gap in predictive modelling. Here, we develop a gene-to-phenotype network for shoot branching, a critical developmental pathway underpinning harvestable yield for many crop species, as a case study to explore the value of developing gene-to-phenotype networks to enhance understanding of selection responses. We observed that genetic canalization is an emergent property of the complex interactions among shoot branching gene-to-phenotype network components, leading to the accumulation of cryptic genetic variation, reduced selection responses, and large variation in selection trajectories across populations. As genetic canalization is expected to be pervasive in traits, such as grain yield, that result from interactions among multiple genes, traits, environments, and agronomic management practices, the need to model traits in crop improvement programs as outcomes of gene-to-phenotype networks is highlighted as an emerging opportunity to advance our understanding of selection response and the efficiency of developing resilient crops for future climates.

The potato (Solanum tuberosum L.) tuber is a swollen stem. Sprouts growing from the tuber nodes represent dormancy release and loss of apical dominance. We recently identified sucrose as a key player in triggering potato stem branching. To decipher the mechanisms by which sucrose induces stem branching, we investigated the nature of the inducing molecule and the involvement of vacuolar invertase (VInv) and the plant hormone cytokinin (CK) in this process. Sucrose was more efficient at enhancing lateral bud burst and elongation than either of its hexose moieties (glucose and fructose), or a slowly metabolizable analog of sucrose (palatinose). Sucrose feeding induced expression of the sucrose transporter gene SUT2, followed by enhanced expression and activity of VInv in the lateral bud prior to its burst. We observed a reduction in the number of branches on stems of VInv-RNA interference lines during sucrose feeding, suggesting that sucrose breakdown is needed for lateral bud burst. Sucrose feeding led to increased CK content in the lateral bud base prior to bud burst. Inhibition of CK synthesis or perception inhibited the sucrose-induced bud burst, suggesting that sucrose induces stem branching through CK. Together, our results indicate that sucrose is transported to the bud, where it promotes bud burst by inducing CK accumulation and VInv activity.