Abstract Differentiation of specialized cell types in multicellular organisms requires orchestrated actions of cell fate determinants. Stomata, valves on the plant epidermis, are formed through a series of differentiation events mediated by three closely related basic-helix-loop-helix proteins: SPEECHLESS (SPCH), MUTE, and FAMA. However, it is not known what mechanism coordinates their actions. Here, we identify two paralogous proteins, SCREAM (SCRM) and SCRM2, which directly interact with and specify the sequential actions of SPCH, MUTE, and FAMA. The gain-of-function mutation in SCRM exhibited constitutive stomatal differentiation in the epidermis. Conversely, successive loss of SCRM and SCRM2 recapitulated the phenotypes of fama, mute, and spch, indicating that SCRM and SCRM2 together determined successive initiation, proliferation, and terminal differentiation of stomatal cell lineages. Our findings identify the core regulatory units of stomatal differentiation and suggest a model strikingly similar to cell-type differentiation in animals. Surprisingly, map-based cloning revealed that SCRM is INDUCER OF CBF EXPRESSION1, a master regulator of freezing tolerance, thus implicating a potential link between the transcriptional regulation of environmental adaptation and development in plants.

Valves on the plant epidermis called stomata develop according to positional cues, which likely involve putative ligands (EPIDERMAL PATTERNING FACTORS [EPFs]) and putative receptors (ERECTA family receptor kinases and TOO MANY MOUTHS [TMM]) in Arabidopsis . Here we report the direct, robust, and saturable binding of bioactive EPF peptides to the ERECTA family. In contrast, TMM exhibits negligible binding to EPF1 but binding to EPF2. The ERECTA family forms receptor homomers in vivo. On the other hand, TMM associates with the ERECTA family but not with itself. While ERECTA family receptor kinases exhibit complex redundancy, blocking ERECTA and ERECTA-LIKE1 (ERL1) signaling confers specific insensitivity to EPF2 and EPF1, respectively. Our results place the ERECTA family as the primary receptors for EPFs with TMM as a signal modulator and establish EPF2–ERECTA and EPF1–ERL1 as ligand–receptor pairs specifying two steps of stomatal development: initiation and spacing divisions.

In flowering plants, pollen germinates on the stigma and pollen tubes grow through the style to fertilize the ovules. Enzymatic production of reactive oxygen species (ROS) has been suggested to be involved in pollen tube tip growth. Here, we characterized the function and regulation of the NADPH oxidases RbohH and RbohJ (Respiratory burst oxidase homolog H and J) in pollen tubes in Arabidopsis thaliana. In the rbohH and rbohJ single mutants, pollen tube tip growth was comparable to that of the wild type; however, tip growth was severely impaired in the double mutant. In vivo imaging showed that ROS accumulation in the pollen tube was impaired in the double mutant. Both RbohH and RbohJ, which contain Ca2+ binding EF-hand motifs, possessed Ca2+-induced ROS-producing activity and localized at the plasma membrane of the pollen tube tip. Point mutations in the EF-hand motifs impaired Ca2+-induced ROS production and complementation of the double mutant phenotype. We also showed that a protein phosphatase inhibitor enhanced the Ca2+-induced ROS-producing activity of RbohH and RbohJ, suggesting their synergistic activation by protein phosphorylation and Ca2+. Our results suggest that ROS production by RbohH and RbohJ is essential for proper pollen tube tip growth, and furthermore, that Ca2+-induced ROS positive feedback regulation is conserved in the polarized cell growth to shape the long tubular cell.

Abstract Polyploidization, or whole genome duplication, is one of the major mechanisms of plant speciation. Allopolyploids (species that harbor polyploid genomes originating from hybridization of different diploid species) have been hypothesized to occupy a niche with intermediate, broader, or fluctuating environmental conditions compared with parental diploids. It remains unclear whether empirical data support this hypothesis and whether specialization of expression patterns of the homeologs (paralogous gene copies resulting from allopolyploidization) relates to habitat environments. Here, we studied the ecology and transcriptomics of a wild allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. hirsuta and C. amara at a fine geographical scale in their native area in Switzerland. We found that the diploid parents favored opposite extremes in terms of soil moisture, soil carbon-to-nitrogen ratios, and light availability. The habitat of the allopolyploid C. flexuosa was broader compared with those of its parental species and overlapped with those of the parents, but not at its extremes. In C. flexuosa , the genes related to water availability were overrepresented among those at both the expression level and the expression ratio of homeolog pairs, which varied among habitat environments. These findings provide empirical evidence for niche differentiation between an allopolyploid and its diploid parents at a fine scale, where both ecological and transcriptomic data indicated water availability to be the key environmental factor for niche differentiation. Significance statement Polyploidization, or whole genome duplication, is common in plants and may contribute to their ecological diversification. However, little is known about the niche differentiation of wild allopolyploids relative to their diploid parents and the gene expression patterns that may underlie such ecological divergence. We detected niche differentiation between the allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. amara and C. hirsuta along water availability gradient at a fine scale. The ecological differentiation was mirrored by the dynamic control of water availability-related gene expression patterns according to habitat environments. Thus, both ecological and transcriptomic data revealed niche differentiation between an allopolyploid species and its diploid parents.

Abstract Correct regulation of intercellular communication is a fundamental requirement for cell differentiation. In Arabidopsis thaliana , the female germline differentiates from a single somatic ovule cell that becomes encased in β−1,3-glucan, a water insoluble polysaccharide implicated in limiting pathogen invasion, regulating intercellular trafficking in roots, and promoting pollen development. Whether β−1,3-glucan facilitates germline isolation and development has remained contentious, since limited evidence is available to support a functional role. Here, transcriptional profiling of adjoining germline and somatic cells revealed differences in gene expression related to β−1,3-glucan metabolism and signalling through intercellular channels (plasmodesmata). Dominant expression of a β−1,3-glucanase in the female germline transiently perturbed β−1,3-glucan deposits, allowed intercellular movement of tracer molecules, and led to changes in germline gene expression and histone marks, eventually leading to termination of germline development. Our findings indicate that germline β−1,3-glucan fulfils a functional role in the ovule by insulating the primary germline cell, and thereby determines the success of downstream female gametogenesis.

The number of male gametes produced is critical for reproductive success and varies greatly between and within species 1–3 . Evolutionary reduction of male gamete production has been widely reported in plants as a hallmark of the selfing syndrome, as well as in humans. Such a reduction may simply represent deleterious decay 4–7 , but evolutionary theory predicts that breeding systems could act as a major selective force on male gamete number: while large numbers of sperm should be produced in highly promiscuous species because of male–male gamete competition 1 , reduced sperm numbers may be advantageous at lower outcrossing rates because of the cost of gamete production. Here we used genome-wide association study (GWAS) to show a signature of polygenic selection on pollen number in the predominantly selfing plant Arabidopsis thaliana . The top associations with pollen number were significantly more strongly enriched for signatures of selection than those for ovule number and 107 phenotypes analyzed previously, indicating polygenic selection 8 . Underlying the strongest association, responsible for 20% of total pollen number variation, we identified the gene REDUCED POLLEN NUMBER 1 affecting cell proliferation in the male germ line. We validated its subtle but causal allelic effects using a quantitative complementation test with CRISPR-Cas9-generated null mutants in a nonstandard wild accession. Our results support polygenic adaptation underlying reduced male gamete numbers.