A key question in developmental biology is how cells exchange positional information for proper patterning during organ development. In plant roots the radial tissue organization is highly conserved with a central vascular cylinder in which two water conducting cell types, protoxylem and metaxylem, are patterned centripetally. We show that this patterning occurs through crosstalk between the vascular cylinder and the surrounding endodermis mediated by cell-to-cell movement of a transcription factor in one direction and microRNAs in the other. SHORT ROOT, produced in the vascular cylinder, moves into the endodermis to activate SCARECROW. Together these transcription factors activate MIR165a and MIR166b. Endodermally produced microRNA165/6 then acts to degrade its target mRNAs encoding class III homeodomain-leucine zipper transcription factors in the endodermis and stele periphery. The resulting differential distribution of target mRNA in the vascular cylinder determines xylem cell types in a dosage-dependent manner. A study of plant root development in the classic plant model Arabidopsis implicates a microRNA, miRNA165/6, in communication between cells and as a determinant of root cell fate. Patterning of the xylem tubes that transport water and solutes from root to shoot is shown to depend on a novel bi-directional signalling pathway involving cell-to-cell movement of a transcription factor in one direction, and microRNAs in the other. The transcription factor, SHORT ROOT, produced in the vascular cylinder, moves into the endodermis where, with SCARECROW, it activates the microRNAs MIR165a and MIR166b, which then, back in the vascular cells, degrade their target messenger RNAs encoding class III homeodomain-leucine zipper transcription factors. The involvement of a cascade of evolutionarily conserved transcription factors and miRNAs in this regulatory pathway suggests that it may be an evolutionary adaptation to terrestrial growth. A fundamental question in developmental biology is how cells communicate positional information to pattern the tissues of an organ. Here, the patterning of a plant's xylem tubes, which transport water and solutes from root to shoot, is studied. A new bidirectional signalling pathway is discovered, whereby a transcription factor moves from cell to cell in one direction, and microRNAs move in the other direction. The result is a differential distribution of target mRNA in the vascular cylinder, determining xylem cell types.

Plant cells are connected through plasmodesmata (PD), membrane-lined channels that allow symplastic movement of molecules between cells. However, little is known about the role of PD-mediated signaling during plant morphogenesis. Here, we describe an Arabidopsis gene, CALS3/GSL12. Gain-of-function mutations in CALS3 result in increased accumulation of callose (β-1,3-glucan) at the PD, a decrease in PD aperture, defects in root development, and reduced intercellular trafficking. Enhancement of CALS3 expression during phloem development suppressed loss-of-function mutations in the phloem abundant callose synthase, CALS7 indicating that CALS3 is a bona fide callose synthase. CALS3 alleles allowed us to spatially and temporally control the PD aperture between plant tissues. Using this tool, we are able to show that movement of the transcription factor SHORT-ROOT and microRNA165 between the stele and the endodermis is PD dependent. Taken together, we conclude that regulated callose biosynthesis at PD is essential for cell signaling.

Photoassimilates such as sugars are transported through phloem sieve element cells in plants. Adapted for effective transport, sieve elements develop as enucleated living cells. We used electron microscope imaging and three-dimensional reconstruction to follow sieve element morphogenesis in Arabidopsis. We show that sieve element differentiation involves enucleation, in which the nuclear contents are released and degraded in the cytoplasm at the same time as other organelles are rearranged and the cytosol is degraded. These cellular reorganizations are orchestrated by the genetically redundant NAC domain-containing transcription factors, NAC45 and NAC86 (NAC45/86). Among the NAC45/86 targets, we identified a family of genes required for enucleation that encode proteins with nuclease domains. Thus, sieve elements differentiate through a specialized autolysis mechanism.

SUMMARY Dynamic cell states underlie flexible developmental programs, such as with the stomatal lineage of the Arabidopsis epidermis. Initial stages of the lineage feature asynchronous and indeterminate divisions modulated by environmental cues, enabling cell fate flexibility to generate the requisite density and pattern of stomata for a given environment. It remains unclear, however, how flexibility of cell fates is controlled. Here, we uncovered distinct models of cell state differentiation within Arabidopsis leaf tissue by leveraging single-cell transcriptomics and molecular genetics. Our findings resolved underlying heterogeneity within cell states of the flexible epidermal stomatal lineage, which appear to exist along a continuum, with progressive cell specification. Beyond the early stages of the lineage, we discovered that the core transcriptional regulator SPEECHLESS is required for cell fate commitment to yield stomatal guard cells. Overall, our work has refined the stomatal lineage paradigm and uncovered progressive cell state decisions along lineage trajectories in developing leaves.

Abstract The fates of cells on the leaf surface depend on positional cues and environmental signals. New stomata are formed away from existing ones to prevent disadvantageous clustering, but how are the initial precursors positioned? Mature embryos do not have stomata, but we provide transcriptomic, imaging, and genetic evidence that Arabidopsis embryos engage known stomatal fate and patterning factors to create regularly spaced stomatal precursor cells. Analysis of embryos from 35 plant species indicates this trait is conserved across angiosperm clades. Embryonic stomatal patterning in Arabidopsis is established in three stages: first broad SPEECHLESS (SPCH) expression, then coalescence of SPCH and its targets into discrete domains, and finally one round of symmetric division to create stomatal precursors. Lineage progression is then halted until after germination. We show that embryonic stomatal pattern enables quick stomatal differentiation and photosynthetic activity upon germination but also guides the formation of additional stomata as the leaf expands. In addition, key stomatal regulators are prevented from driving the fate transitions they can induce after germination, revealing stage-specific layers of regulation that control lineage progression during embryogenesis.

During the process of secondary growth, the vascular cambium produces the conductive xylem and phloem cells, while the phellogen (cork cambium) deposit phellem (cork) as the outermost protective barrier. Although most of the secondary tissues is made up by parenchyma cells which are also produced by both cambia, their diversity and function are poorly understood. Here we combined single-cell RNA sequencing analysis with lineage tracing to recreate developmental trajectories of the cell types in the Arabidopsis root undergoing secondary growth. By analysing 93 reporter lines, we were able to identify 20 different cell types or cell states, many of which have not been described before. We additionally observed distinct transcriptome signatures of parenchyma cells depending on their maturation state and proximity to the conductive cell types. Our data shows that both xylem and phloem parenchyma tissues are required for normal formation of conductive tissue cell types. Furthermore, we showed that mature phloem parenchyma gradually obtains periderm identity, and this transition can be accelerated by jasmonate or wounding. Thus, our study reveals the remarkable dynamic and diverse nature of parenchyma cells during secondary growth.