Abstract Cytokinin (CK) has long been implicated as a promoter of bud outgrowth in plants, but exactly how this is achieved in coordination with other plant hormones is unclear. The recent discovery of strigolactones (SLs) as the long-sought branch-inhibiting hormone allowed us to test how CK and SL coordinately regulate bud outgrowth in pea (Pisum sativum). We found that SL-deficient plants are more sensitive to stimulation of bud growth by low concentrations of locally applied CK than wild-type plants. Furthermore, in contrast with SL mutant plants, buds of wild-type plants are almost completely resistant to stimulation by CK supplied to the vasculature. Regardless of whether the exogenous hormones were supplied locally or to the xylem stream, SL and CK acted antagonistically on bud outgrowth. These data suggest that SLs do not affect the delivery of CK to axillary buds and vice versa. Rather, these data combined with dose-response experiments suggest that SLs and CK can act directly in buds to control their outgrowth. These hormones may converge at a common point in the bud outgrowth regulatory pathway. The expression of pea BRANCHED1, a TCP transcription factor expressed strongly in buds and thought to act downstream of SLs in shoot branching, is regulated by CK and SL without a requirement for protein synthesis and in a manner that correlates with observed bud growth responses.

Abstract During the last century, two key hypotheses have been proposed to explain apical dominance in plants: auxin promotes the production of a second messenger that moves up into buds to repress their outgrowth, and auxin saturation in the stem inhibits auxin transport from buds, thereby inhibiting bud outgrowth. The recent discovery of strigolactone as the novel shoot-branching inhibitor allowed us to test its mode of action in relation to these hypotheses. We found that exogenously applied strigolactone inhibited bud outgrowth in pea (Pisum sativum) even when auxin was depleted after decapitation. We also found that strigolactone application reduced branching in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) auxin response mutants, suggesting that auxin may act through strigolactones to facilitate apical dominance. Moreover, strigolactone application to tiny buds of mutant or decapitated pea plants rapidly stopped outgrowth, in contrast to applying N-1-naphthylphthalamic acid (NPA), an auxin transport inhibitor, which significantly slowed growth only after several days. Whereas strigolactone or NPA applied to growing buds reduced bud length, only NPA blocked auxin transport in the bud. Wild-type and strigolactone biosynthesis mutant pea and Arabidopsis shoots were capable of instantly transporting additional amounts of auxin in excess of endogenous levels, contrary to predictions of auxin transport models. These data suggest that strigolactone does not act primarily by affecting auxin transport from buds. Rather, the primary repressor of bud outgrowth appears to be the auxin-dependent production of strigolactones.

Abstract The function of PsBRC1, the pea (Pisum sativum) homolog of the maize (Zea mays) TEOSINTE BRANCHED1 and the Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) BRANCHED1 (AtBRC1) genes, was investigated. The pea Psbrc1 mutant displays an increased shoot-branching phenotype, is able to synthesize strigolactone (SL), and does not respond to SL application. The level of pleiotropy of the SL-deficient ramosus1 (rms1) mutant is higher than in the Psbrc1 mutant, rms1 exhibiting a relatively dwarf phenotype and more extensive branching at upper nodes. The PsBRC1 gene is mostly expressed in the axillary bud and is transcriptionally up-regulated by direct application of the synthetic SL GR24 and down-regulated by the cytokinin (CK) 6-benzylaminopurine. The results suggest that PsBRC1 may have a role in integrating SL and CK signals and that SLs act directly within the bud to regulate its outgrowth. However, the Psbrc1 mutant responds to 6-benzylaminopurine application and decapitation by increasing axillary bud length, implicating a PsBRC1-independent component of the CK response in sustained bud growth. In contrast to other SL-related mutants, the Psbrc1 mutation does not cause a decrease in the CK zeatin riboside in the xylem sap or a strong increase in RMS1 transcript levels, suggesting that the RMS2-dependent feedback is not activated in this mutant. Surprisingly, the double rms1 Psbrc1 mutant displays a strong increase in numbers of branches at cotyledonary nodes, whereas branching at upper nodes is not significantly higher than the branching in rms1. This phenotype indicates a localized regulation of branching at these nodes specific to pea.

Shoot branching patterns result from the spatio-temporal regulation of axillary bud outgrowth. Numerous endogenous, developmental and environmental factors are integrated at the bud and plant levels to determine numbers of growing shoots. Multiple pathways that converge to common integrators are most probably involved. We propose several pathways involving not only the classical hormones auxin, cytokinins and strigolactones, but also other signals with a strong influence on shoot branching such as gibberellins, sugars or molecular actors of plant phase transition. We also deal with recent findings about the molecular mechanisms and the pathway involved in the response to shade as an example of an environmental signal controlling branching. We propose the TCP transcription factor TB1/BRC1 and the polar auxin transport stream in the stem as possible integrators of these pathways. We finally discuss how modeling can help to represent this highly dynamic system by articulating knowledges and hypothesis and calculating the phenotype properties they imply.

Strigolactones are a novel class of plant hormones controlling shoot branching in seed plants. They also signal host root proximity during symbiotic and parasitic interactions. To gain a better understanding of the origin of strigolactone functions, we characterised a moss mutant strongly affected in strigolactone biosynthesis following deletion of the CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE 8 (CCD8) gene. Here, we show that wild-type Physcomitrella patens produces and releases strigolactones into the medium where they control branching of protonemal filaments and colony extension. We further show that Ppccd8 mutant colonies fail to sense the proximity of neighbouring colonies, which in wild-type plants causes the arrest of colony extension. The mutant phenotype is rescued when grown in the proximity of wild-type colonies, by exogenous supply of synthetic strigolactones or by ectopic expression of seed plant CCD8. Thus, our data demonstrate for the first time that Bryophytes (P. patens) produce strigolactones that act as signalling factors controlling developmental and potentially ecophysiological processes. We propose that in P. patens, strigolactones are reminiscent of quorum-sensing molecules used by bacteria to communicate with one another.

ABSTRACT In flowering plants, the α/β hydrolase DWARF14 (D14) perceives strigolactone (SL) hormones and interacts with the F-box protein MORE AXILLARY GROWTH2 (MAX2) to regulate developmental processes. The key SL biosynthetic enzyme, CAROTENOID CLEAVAGE DEOXYGENASE8 (CCD8), is present in the moss Physcomitrium (Physcomitrella) patens, and PpCCD8-derived compounds regulate plant extension. Based on germination assays using seeds of the parasitic plant Phelipanche ramosa, we propose that these compounds are non-canonical SLs. Perception of PpCCD8-derived compounds does not require the PpMAX2 homolog. Candidate receptors are among the 13 PpKAI2LIKE-A to -L genes, homologous to the ancestral D14 paralog KARRIKIN INSENSITIVE2 (KAI2). In Arabidopsis, AtKAI2 is the receptor for a still elusive endogenous KAI2-Ligand (KL). We show that in P. patens, among SL analogs, the (+)-GR24 enantiomer is a good mimic for PpCCD8-derived compounds, while the effects of the (-)-GR24 enantiomer, a KL mimic in flowering plants, are opposite. Interaction and binding assays of seven PpKAI2L proteins using pure enantiomers pinpoint at stereoselectivity towards (-)-GR24 for the (A-E) clade. Enzyme assays highlight strong hydrolytic activity of the PpKAI2L-H protein. Moss mutants for all PpKAI2L gene subclades were obtained and tested for their response to both enantiomers. We show that PpKAI2L-A to -E genes are not involved in PpCCD8-derived compound perception, but act in a PpMAX2-dependant pathway. In contrast, mutations in PpKAI2L-G , and -J genes abolish the response to (+)-GR24, suggesting that encoded proteins are receptors for PpCCD8-derived SLs.

Abstract KAI2 are plant α/β hydrolase receptors, which perceive smoke-derived butenolide signals (karrikins) and putative endogenous, yet unidentified phytohormones (KAI2-ligands, KLs). The number of functional KAI2 receptors varies among plant species. It has been suggested that KAI2 gene duplication and sub-functionalization plays an adaptative role for diverse environments or ligand diversification by altering the receptor responsiveness to specific KLs. Legumes represent one of the largest families of flowering plants and contain many essential agronomic crops. Prior to legume diversification, KAI2 underwent duplication, resulting in KAI2A and KAI2B . Integrating plant genetics, ligand perception and enzymatic assays, and protein crystallography, we demonstrate that Pisum sativum KAI2A and KAI2B act as receptors and enzymes with divergent ligand stereoselectivity. KAI2B has a stronger affinity than KAI2A towards the KAI2-ligand (-)-GR24 and remarkably hydrolyses a broader range of substrates including the strigolactone-like isomer (+)-GR24. We determine the crystal structures of PsKAI2B in apo and butenolide-bound states. The biochemical and structural analyses as well as recorded mass spectra of KAI2s reveal a transient intermediate on the catalytic serine and a stable adduct on the catalytic histidine, further illuminating the role of KAI2 not only as receptors but also as bona fide enzymes. Our work uncovers the stereoselectivity of ligand perception and catalysis by evolutionarily diverged KAI2 receptors in KAR/KL signaling pathways and proposes adaptive sensitivity to KAR/KL and strigolactone phytohormones by KAI2B.

Abstract SMXL proteins are a plant-specific clade of type I HSP100/Clp-ATPases. SMXL genes are found in virtually all land plants’ genomes. However, they have mainly been studied in angiosperms. In Arabidopsis thaliana , three SMXL functional subclades have been identified: SMAX1/SMXL2, SMXL345 and SMXL678. Out of these, two subclades ensure transduction on endogenous hormone signals: SMAX1/SMXL2 are involved in KAI2-ligand (KL) signaling, while SMXL678 are involved in strigolactones (SLs) signaling. Many questions remain regarding the mode of action of these proteins, as well as their ancestral role. In light of recent discoveries in the liverwort Marchantia polymorpha, we addressed this second question by investigating the function of the four SMXL genes of the moss Physcomitrium patens. We demonstrate that PpSMXL proteins are negative regulators of growth, involved in the likely conserved ancestral MAX2-dependent KL signaling pathway. However, PpSMXL proteins expressed in Arabidopsis thaliana unexpectedly cannot replace SMAX1/SMXL2 function in KL signaling, whereas they can functionally replace SMXL4/5 and restore root growth. Therefore, the molecular function of SMXL could be conserved, but not their interaction network. Moreover, one PpSMXL clade also positively regulates transduction of the SL signal in P. patens , this function most probably having an independent evolutionary origin to angiosperms SMXL678.