Building expression constructs for transgenesis is one of the fundamental day-to-day tasks in modern biology. Traditionally it is based on a multitude of type II restriction endonucleases and T4 DNA ligase. Especially in case of long inserts and applications requiring high-throughput, this approach is limited by the number of available unique restriction sites and the need for designing individual cloning strategies for each project. Several alternative cloning systems have been developed in recent years to overcome these issues, including the type IIS enzyme based Golden Gate technique. Here we introduce our GreenGate system for rapidly assembling plant transformation constructs, which is based on the Golden Gate method. GreenGate cloning is simple and efficient since it uses only one type IIS restriction endonuclease, depends on only six types of insert modules (plant promoter, N-terminal tag, coding sequence, C-terminal tag, plant terminator and plant resistance cassette), but at the same time allows assembling several expression cassettes in one binary destination vector from a collection of pre-cloned building blocks. The system is cheap and reliable and when combined with a library of modules considerably speeds up cloning and transgene stacking for plant transformation.

A major feature of embryogenesis is the specification of stem cell systems, but in contrast to the situation in most animals, plant stem cells remain quiescent until the postembryonic phase of development. Here, we dissect how light and metabolic signals are integrated to overcome stem cell dormancy at the shoot apical meristem. We show on the one hand that light is able to activate expression of the stem cell inducer WUSCHEL independently of photosynthesis and that this likely involves inter-regional cytokinin signaling. Metabolic signals, on the other hand, are transduced to the meristem through activation of the TARGET OF RAPAMYCIN (TOR) kinase. Surprisingly, TOR is also required for light signal dependent stem cell activation. Thus, the TOR kinase acts as a central integrator of light and metabolic signals and a key regulator of stem cell activation at the shoot apex.

Abstract In eukaryotes, mitochondrial ATP is mainly produced by the oxidative phosphorylation (OXPHOS) system, which is composed of five multiprotein complexes (complexes I to V). Analyses of the OXPHOS system by native gel electrophoresis revealed an organization of OXPHOS complexes in supercomplexes, but their roles and assembly pathways remain unclear. In this study, we characterized an atypical mitochondrial ferredoxin (mFDX-like). This protein was previously found associated with complex I, being part of the bridge domain linking the matrix and membrane arms of the complex. A phylogenetic analysis suggests that the Arabidopsis thaliana mFDX-like evolved from classical mitochondrial ferredoxin, but it lost one of the cysteines required for the coordination of the iron-sulfur (Fe-S) cluster essential for the electron transfer function of ferredoxins. Accordingly, our biochemical study shows that AtmFDX-like does not bind an Fe-S cluster, and is therefore unlikely to be involved in electron transfer reactions. To study the function of mFDX-like, we created deletion lines in Arabidopsis using a CRISPR/Cas9 approach. These lines do not show any growth phenotype under standard growth condition. However, the characterization of the OXPHOS system demonstrates that mFDX-like is important for the assembly of complex I, and essential for the formation of complex I-containing supercomplexes. We propose that mFDX-like and the bridge domain are required for the correct conformation of the membrane arm of complex I that is essential for the association of complex I with complex III to form supercomplexes.

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.

Abstract The chloroplast genomes of most plants and algae contain a large inverted repeat (IR) region that separates two single-copy regions and harbours the ribosomal RNA operon. We have addressed the functional importance of the IR region by removing an entire copy of the 25.3-kb IR from the tobacco plastid genome. Using plastid transformation and subsequent selectable marker gene elimination, we precisely excised the IR, thus generating plants with a substantially reduced plastid genome size. We show that the lack of the IR results in a mildly reduced plastid ribosome number, suggesting a gene dosage benefit from the duplicated presence of the ribosomal RNA operon. Moreover, the IR deletion plants contain an increased number of plastid genomes, suggesting that genome copy number is regulated by measuring total plastid DNA content rather than by counting genomes. Together, our findings (1) demonstrate that the IR can enhance the translation capacity of the plastid, (2) reveal the relationship between genome size and genome copy number, and (3) provide a simplified plastid genome structure that will facilitate future synthetic biology applications.

To maintain the balance between long-term stem cell self-renewal and differentiation, dynamic signals need to be translated into spatially precise and temporally stable gene expression states. In the apical plant stem cell system, local accumulation of the small, highly mobile phytohormone auxin triggers differentiation while at the same time, pluripotent stem cells are maintained throughout the entire life-cycle. We find that stem cells are resistant to auxin mediated differentiation, but require low levels of signaling for their maintenance. We demonstrate that the WUSCHEL transcription factor confers this behavior by rheostatically controlling the auxin signaling and response pathway. Finally, we show that WUSCHEL acts via regulation of histone acetylation at target loci, including those with functions in the auxin pathway. Our results reveal an important mechanism that allows cells to differentially translate a potent and highly dynamic developmental signal into stable cell behavior with high spatial precision and temporal robustness.