Abstract In rice (Oryza sativa), the shoot-borne crown roots are the major root type and are initiated at lower stem nodes as part of normal plant development. However, the regulatory mechanism of crown root development is poorly understood. In this work, we show that a WUSCHEL-related Homeobox (WOX) gene, WOX11, is involved in the activation of crown root emergence and growth. WOX11 was found to be expressed in emerging crown roots and later in cell division regions of the root meristem. The expression could be induced by exogenous auxin or cytokinin. Loss-of-function mutation or downregulation of the gene reduced the number and the growth rate of crown roots, whereas overexpression of the gene induced precocious crown root growth and dramatically increased the root biomass by producing crown roots at the upper stem nodes and the base of florets. The expressions of auxin- and cytokinin-responsive genes were affected in WOX11 overexpression and RNA interference transgenic plants. Further analysis showed that WOX11 directly repressed RR2, a type-A cytokinin-responsive regulator gene that was found to be expressed in crown root primordia. The results suggest that WOX11 may be an integrator of auxin and cytokinin signaling that feeds into RR2 to regulate cell proliferation during crown root development.

The switch defective/sucrose non-fermentable (SWI/SNF) multisubunit complex plays an important role in the regulation of gene expression by remodeling chromatin structure. Three SWI/SNF complexes have been identified in Arabidopsis including BAS, SAS, and MAS. Many subunits of these complexes are involved in controlling plant development and stress response. However, the function of these complexes has hardly been studied in other plant species. In this study, we identified the subunits of the SWI/SNF complex in sorghum and analyzed their evolutionary relationships in six grass species. The grass species conserved all the subunits as in Arabidopsis , but gene duplication occurred diversely in different species. Expression pattern analysis in sorghum ( Sorghum bicolor ) showed that most of the subunit-encoding genes were expressed constitutively, although the expression level was different. Transactivation assays revealed that SbAN3, SbGIF3, and SbSWI3B possessed transactivation activity, which suggests that they may interact with the pre-initiation complex (PIC) to activate transcription. We chose 12 subunits in sorghum to investigate their interaction relationship by yeast two-hybrid assay. We found that these subunits displayed distinct interaction patterns compared to their homologs in Arabidopsis and rice. This suggests that different SWI/SNF complexes may be formed in sorghum to perform chromatin remodeling functions. Through the integrated analysis of MNase-seq and RNA-seq data, we uncovered a positive relationship between gene expression levels and nucleosome phasing. Furthermore, we found differential global nucleosome enrichments between leaves and roots, as well as in response to PEG treatment, suggesting that dynamics of nucleosome occupancy, which is probably mediated by the SWI/SNF complex, may play important roles in sorghum development and stress response.

Abstract Sorghum bicolor is a C4 plant with the characteristics of high stress tolerance, which may be conferred partly by the underlying epigenetic mechanism unique to sorghum. In this study, we revealed some epigenomic features in sorghum that have never been reported before. The long H3K27me3 regions clustered in four areas, which we defined as H3K27me3 islands, were identified in sorghum. H3K36me3 plays some role in inhibiting the deposition of both H3K27me3 and H2A.Z, which may serve as partial motivation for the removal of H3K27me3 and H2A.Z in leaf and root. All the 7 histone marks are involved in the regulation of tissue-specific genes, especially the specific expression of C4 genes in leaf and peroxidase (POD) encoding genes in root, which are involved in the photosynthesis in leaf and lignin synthesis in root, respectively. These marks except H3K36me3 and H3K27me3 also engage in the regulation of stress genes in response to PEG treatment. However, we found that differential enrichment of histone marks on many tissue-specific genes was observed only between leaf and root but hardly in response to PEG treatment, although expression of these genes changed after PEG treatment.