Cell proliferation is the main driving force for plant growth. Although genome sequence analysis revealed a high number of cell cycle genes in plants, little is known about the molecular complexes steering cell division. In a targeted proteomics approach, we mapped the core complex machinery at the heart of the Arabidopsis thaliana cell cycle control. Besides a central regulatory network of core complexes, we distinguished a peripheral network that links the core machinery to up‐ and downstream pathways. Over 100 new candidate cell cycle proteins were predicted and an in‐depth biological interpretation demonstrated the hypothesis‐generating power of the interaction data. The data set provided a comprehensive view on heterodimeric cyclin‐dependent kinase (CDK)–cyclin complexes in plants. For the first time, inhibitory proteins of plant‐specific B‐type CDKs were discovered and the anaphase‐promoting complex was characterized and extended. Important conclusions were that mitotic A‐ and B‐type cyclins form complexes with the plant‐specific B‐type CDKs and not with CDKA;1, and that D‐type cyclins and S‐phase‐specific A‐type cyclins seem to be associated exclusively with CDKA;1. Furthermore, we could show that plants have evolved a combinatorial toolkit consisting of at least 92 different CDK–cyclin complex variants, which strongly underscores the functional diversification among the large family of cyclins and reflects the pivotal role of cell cycle regulation in the developmental plasticity of plants.

The quiescent center (QC) plays an essential role during root development by creating a microenvironment that preserves the stem cell fate of its surrounding cells. Despite being surrounded by highly mitotic active cells, QC cells self-renew at a low proliferation rate. Here, we identified the ERF115 transcription factor as a rate-limiting factor of QC cell division, acting as a transcriptional activator of the phytosulfokine PSK5 peptide hormone. ERF115 marks QC cell division but is restrained through proteolysis by the APC/C(CCS52A2) ubiquitin ligase, whereas QC proliferation is driven by brassinosteroid-dependent ERF115 expression. Together, these two antagonistic mechanisms delimit ERF115 activity, which is called upon when surrounding stem cells are damaged, revealing a cell cycle regulatory mechanism accounting for stem cell niche longevity.

Abstract The transcriptional coactivator ANGUSTIFOLIA3 (AN3) stimulates cell proliferation during Arabidopsis thaliana leaf development, but the molecular mechanism is largely unknown. Here, we show that inducible nuclear localization of AN3 during initial leaf growth results in differential expression of important transcriptional regulators, including GROWTH REGULATING FACTORs (GRFs). Chromatin purification further revealed the presence of AN3 at the loci of GRF5, GRF6, CYTOKININ RESPONSE FACTOR2, CONSTANS-LIKE5 (COL5), HECATE1 (HEC1), and ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR4 (ARR4). Tandem affinity purification of protein complexes using AN3 as bait identified plant SWITCH/SUCROSE NONFERMENTING (SWI/SNF) chromatin remodeling complexes formed around the ATPases BRAHMA (BRM) or SPLAYED. Moreover, SWI/SNF ASSOCIATED PROTEIN 73B (SWP73B) is recruited by AN3 to the promoters of GRF5, GRF3, COL5, and ARR4, and both SWP73B and BRM occupy the HEC1 promoter. Furthermore, we show that AN3 and BRM genetically interact. The data indicate that AN3 associates with chromatin remodelers to regulate transcription. In addition, modification of SWI3C expression levels increases leaf size, underlining the importance of chromatin dynamics for growth regulation. Our results place the SWI/SNF-AN3 module as a major player at the transition from cell proliferation to cell differentiation in a developing leaf.

Abstract Plants have evolved an extensive specialized secondary metabolism. The colorful flavonoid anthocyanins, for example, not only stimulate flower pollination and seed dispersal but also protect different tissues against high light, UV- and oxidative stress. Their biosynthesis is highly regulated by environmental and developmental cues and induced by high sucrose levels. Expression of the biosynthetic enzymes involved is controlled by a transcriptional MBW complex, comprising (R2R3) MYB- and bHLH-type transcription factors (TF) and the WD40 repeat protein TTG1. Anthocyanin biosynthesis is obviously useful but also carbon- and energy-intensive and non-vital. Consistently, the SnRK1 protein kinase, a metabolic sensor activated in carbon- and energy-depleting stress conditions, represses anthocyanin biosynthesis. Here we show that Arabidopsis SnRK1 represses MBW complex activity both at the transcriptional and post-translational level. In addition to repressing expression of the key transcription factor MYB75/PAP1, SnRK1 activity triggers MBW complex dissociation, associated with loss of target promoter binding, MYB75 protein degradation and nuclear export of TTG1. We also provide evidence for direct interaction with and phosphorylation of multiple MBW complex proteins. These results indicate that repression of expensive anthocyanin biosynthesis is an important strategy to save energy and redirect carbon flow to more essential processes for survival in metabolic stress conditions.

Abstract Clathrin-mediated endocytosis (CME) is the gatekeeper of the plasma membrane. In contrast to animals and yeasts, CME in plants depends on the TPLATE complex (TPC), an evolutionary ancient adaptor complex. The mechanistic contribution of the individual TPC subunits to plant CME remains however elusive. In this study, we used a multidisciplinary approach to elucidate the structural and functional roles of the evolutionary conserved N-terminal Eps15 homology (EH) domains of the TPC subunit AtEH1/Pan1. By integrating high-resolution structural information obtained by X-ray crystallography and NMR spectroscopy with all-atom molecular dynamics simulations, we provide structural insight into the function of both EH domains. Whereas one EH domain binds negatively charged PI(4,5)P 2 lipids, unbiased peptidome profiling by mass-spectrometry revealed that the other EH domain interacts with the double N-terminal NPF motif of a novel TPC interactor, the integral membrane protein Secretory Carrier Membrane Protein 5 (SCAMP5). Furthermore, we show that AtEH/Pan1 proteins control the internalization of SCAMP5 via this double NPF peptide interaction motif. Collectively, our structural and functional studies reveal distinct but complementary roles of the EH domains of AtEH/Pan1 have in plant CME and connect the internalization of SCAMP5 to the TPLATE complex.

Abstract Proximity-dependent biotin labelling (PDL) uses a promiscuous biotin ligase (PBL) or a peroxidase fused to a protein of interest. This enables covalent biotin labelling of proteins and allows subsequent capture and identification of interacting and neighbouring proteins without the need for the protein complex to remain intact. To date, only few papers report on the use of PDL in plants. Here we present the results of a systematic study applying a variety of PDL approaches in several plant systems using various conditions and bait proteins. We show that TurboID is the most promiscuous variant in several plant model systems and establish protocols which combine Mass Spectrometry-based analysis with harsh extraction and washing conditions. We demonstrate the applicability of TurboID in capturing membrane-associated protein interactomes using Lotus japonicus symbiotically active receptor kinases as test-case. We further benchmark the efficiency of various PBLs in comparison with one-step affinity purification approaches. We identified both known as well as novel interactors of the endocytic TPLATE complex. We furthermore present a straightforward strategy to identify both non-biotinylated as well as biotinylated peptides in a single experimental setup. Finally, we provide initial evidence that our approach has the potential to infer structural information of protein complexes.

Abstract At meiosis, programmed meiotic DNA double-strand breaks are repaired via homologous recombination, resulting in crossovers (COs). From a large excess of DNA double-strand breaks that are formed, only a small proportion gets converted into COs because of active mechanisms that restrict CO formation. The Fanconi anemia (FA) complex proteins AtFANCM, MHF1, and MHF2 were previously identified in a genetic screen as anti-CO factors that function during meiosis in Arabidopsis thaliana . Here, pursuing the same screen, we identify FANCC as a new anti-CO gene. FANCC was previously only identified in mammals because of low primary sequence conservation. We show that FANCC, and its physical interaction with FANCE-FANCF, is conserved from vertebrates to plants. Further, we show that FANCC, together with its subcomplex partners FANCE and FANCF, regulates meiotic recombination. Mutations of any of these three genes partially rescues CO-defective mutants, which is particularly marked in female meiosis. Functional loss of FANCC, FANCE, or FANCF results in synthetic meiotic catastrophe with the pro-CO factor MUS81. This work reveals that FANCC is conserved outside mammals and has an anti-CO role during meiosis together with FANCE and FANCF.

Abstract Protein activities depend heavily on protein complex formation and dynamic post-translational modifications, such as phosphorylation. Their dynamic nature is notoriously difficult to monitor in planta at cellular resolution, often requiring extensive optimization and high-end microscopy. Here, we generated and exploited the SYnthetic Multivalency in PLants (SYMPL)-vector set to study protein-protein interactions (PPIs) and kinase activities in planta based on phase separation. This technology enabled easy detection of inducible, binary and ternary protein-protein interactions among cytoplasmic, nuclear and plasma membrane proteins in plant cells via a robust image-based readout. Moreover, we applied the SYMPL toolbox to develop an in vivo reporter for SnRK1 kinase activity, allowing us to visualize tissue-specific, dynamic SnRK1 activation upon energy deprivation in stable transgenic Arabidopsis plants. The applications of the SYMPL cloning toolbox lay the foundation for the exploration of PPIs, phosphorylation and other post-translational modifications with unprecedented ease and sensitivity.