Abstract

 Asymmetric cell divisions play an important role in the establishment and propagation of the cellular pattern of plant tissues. The SHORT-ROOT (SHR) gene is required for the asymmetric cell division responsible for formation of ground tissue (endodermis and cortex) as well as specification of endodermis in the Arabidopsis root. We show that SHR encodes a putative transcription factor with homology to SCARECROW (SCR). From analyses of gene expression and cell identity in genetically stable and unstable alleles of shr, we conclude that SHR functions upstream of SCR and participates in a radial signaling pathway. Consistent with a regulatory role in radial patterning, ectopic expression of SHR results in supernumerary cell divisions and abnormal cell specification in the root meristem.

Positional information is pivotal for establishing developmental patterning in plants, but little is known about the underlying signalling mechanisms. The Arabidopsis root radial pattern is generated through stereotyped division of initial cells and the subsequent acquisition of cell fate. short-root (shr) mutants do not undergo the longitudinal cell division of the cortex/endodermis initial daughter cell, resulting in a single cell layer with only cortex attributes. Thus, SHR is necessary for both cell division and endodermis specification. SHR messenger RNA is found exclusively in the stele cells internal to the endodermis and cortex, indicating that it has a non-cell-autonomous mode of action. Here we show that the SHR protein, a putative transcription factor, moves from the stele to a single layer of adjacent cells, where it enters the nucleus. Ectopic expression of SHR driven by the promoter of the downstream gene SCARECROW (SCR) results in autocatalytic reinforcement of SHR signalling, producing altered cell fates and multiplication of cell layers. These results support a model in which SHR protein acts both as a signal from the stele and as an activator of endodermal cell fate and SCR-mediated cell division.

One of the key characteristics of multicellular organisms is the ability to establish and maintain shapes, or morphologies, under a variety of physical and chemical perturbations. A quantitative description of the underlying morphological dynamics is a critical step to fully understand the self-organising properties of multicellular systems. Although many powerful mathematical tools have been developed to analyse stochastic dynamics, rarely these are applied to experimental developmental biology. Here, we take root tip regeneration in the plant model system Arabidopsis thaliana as an example of robust morphogenesis in living tissue, and present a novel approach to quantify and model the relaxation of the system to its unperturbed morphology. By generating and analysing time-lapse series of regenerating root tips captured with confocal microscopy, we are able to extract and model the dynamics of key morphological traits at cellular resolution. We present a linear stability analysis of its Markovian dynamics, with the stationary state representing the intact root in the space of morphological traits. We find that the resulting eigenvalues can be classified into two groups, suggesting the co-existence of two distinct temporal scales during the process of regeneration. We discuss the possible biological implications of our specific results, and suggest future experiments to further probe the self-organising properties of living tissue.

Background Particle-tracking in 3D is an indispensable computational tool to extract critical information on dynamical processes from raw time-lapse imaging. This is particularly true with in vivo time-lapse fluorescence imaging in cell and developmental biology, where complex dynamics are observed at high temporal resolution. Common tracking algorithms used with time-lapse data in fluorescence microscopy typically assume a continuous signal where background, landscape keypoints and independently moving objects of interest are permanently visible. Under these conditions, simple registration and identity management algorithms can track the objects of interest over time. In contrast, here we consider the case of transient signals and objects whose movements are constrained within a tissue, where standard algorithms fail to provide robust tracking.Results To optimize 3D tracking in these conditions, we propose the merging of registration and tracking tasks into a fuzzy registration algorithm to solve the identity management problem. We describe the design and application of such an algorithm, illustrated in the domain of plant biology and make it available as an open source software implementation. The algorithm is tested on mitotic events in 4D datasets obtained with light-sheet fluorescence microscopy on growing Arabidopsis thaliana roots expressing CYCB::GFP. We validate the method by comparing the algorithm performance against both surrogate data and manual tracking.Conclusion This method fills a gap in existing tracking techniques, following mitotic events in challenging data-sets using transient fluorescent markers in un-registered images.

ABSTRACT An efficient foraging strategy for plant roots relies on the ability to sense multiple physical and chemical cues in soil and to reorient growth accordingly (tropism). Root tropisms range from sensing gravity (gravitropism), light (phototropism), water (hydrotropism), touch (thigmotropism) and more. Electrotropism, also known as galvanotropism, is the phenomenon of aligning growth with external electric fields and currents. Although observed in a few species since the end of the 19 th century, the molecular and physical mechanism of root electrotropism remains elusive, limiting the comparison to more defined sensing pathways in plants. Here we provide a first quantitative and molecular characterisation of root electrotropism in the model system Arabidopsis thaliana , showing that it does not depend on an asymmetric distribution of the plant hormone auxin, but that instead it requires the biosynthesis of a second hormone, cytokinin. We also show that the dose-response kinetics of the early steps of root electrotropism follows a power law analogous to the one observed in some physiological reactions in animals. A future full molecular and quantitative characterisation of root electrotropism would represent a step forward towards a better understanding of signal integration in plants, and an independent outgroup for comparative analysis of electroreception in animals and fungi.

Abstract Soil-dwelling microorganisms use a variety of chemical and physical signals to navigate their environment. Plant roots produce endogenous electric fields which result in characteristic current profiles. Such electrical signatures are hypothesised to be used by pathogens and symbionts to track and colonise plant roots. The oomycete pathogen Phytophthora palmivora generates motile zoospores which swim towards the positive pole when exposed to an external electric field in vitro . Here, we provide a quantitative characterization of their electrotactic behaviour in 3D. We found that a weak electric field (0.7 - 1.0 V/cm) is sufficient to induce an accumulation of zoospore at the positive pole, without affecting their encystment rate. We also show that the same external electric field increases the zoospore germination rate and orients the germ tube’s growth. We conclude that several early stages of the P. palmivora infection cycle are affected by external electric fields. Taken together, our results are compatible with the hypothesis that pathogens use plant endogenous electric fields for host targeting.

ABSTRACT Plant roots sense many physical and chemical cues in soil, such as gravity, humidity, light and chemical gradients, and respond by redirecting their growth towards or away from the source of the stimulus. This process is called tropism. While gravitropism is the tendency to follow the gravitational field downwards, electrotropism is the alignment of growth with external electric fields and the induced ionic currents. Although root tropisms are at the core of their ability to explore large volumes of soil in search of water and nutrients, the molecular and physical mechanisms underlying most of them remain poorly understood. We have previously provided a quantitative characterization of root electrotropism in Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ) primary roots exposed for 5 hours to weak electric fields, showing that auxin asymmetric distribution is not necessary but that cytokinin biosynthesis is. Here, we extend that study showing that long-term electrotropism is characterized by a complex behavior. We describe overshoot and habituation as key traits of long-term root electrotropism in Arabidopsis and provide quantitative data about the role of past exposures in the response to electric fields (hysteresis). On the molecular side, we show that cytokinin, although necessary for root electrotropism, is not asymmetrically distributed during the bending. Overall, the data presented here represent a significant step forward towards the understanding of the molecular mechanisms regulating electrotropism in plants and provide a quantitative platform for future studies on the genetics of this and other tropisms.

In this work, we present a quantitative comparison of the cell division dynamics between populations of intact and regenerating root tips in the plant model system Arabidopsis thaliana. To achieve the required temporal resolution and to sustain it for the duration of the regeneration process, we adopted a live imaging system based on light-sheet fluorescence microscopy, previously developed in the laboratory. We offer a straightforward quantitative analysis of the temporal and spatial patterns of cell division events showing a statistically significant difference in the frequency of mitotic events and spatial separation of mitotic event clusters between intact and regenerating roots.