There are many open questions about the mechanisms that coordinate the dynamic, multicellular behaviors required for organogenesis. Synthetic circuits that can record in vivo signaling networks have been critical in elucidating animal development. Here, we report on the transfer of this technology to plants using orthogonal serine integrases to mediate site-specific and irreversible DNA recombination visualized by switching between fluorescent reporters. When combined with promoters expressed during lateral root initiation, integrases amplified reporter signal and permanently marked all descendants. In addition, we have developed a suite of methods to tune the threshold for integrase switching, including: RNA/protein degradation tags, a nuclear localization signal, and a split-intein system. These tools improved the robustness of integrase-mediated switching with different promoters and the stability of switching behavior over multiple generations. This integrase toolbox can be used to build history-dependent circuits to decode the order of expression during organogenesis in many contexts.

Promoters regulate both the amplitude and pattern of gene expression-key factors needed for optimization of many synthetic biology applications. Previous work in Arabidopsis found that promoters that contain a TATA-box element tend to be expressed only under specific conditions or in particular tissues, while promoters which lack any known promoter elements, thus designated as Coreless, tend to be expressed more ubiquitously. To test whether this trend represents a conserved promoter design rule, we identified stably expressed genes across multiple angiosperm species using publicly available RNA-seq data. Comparisons between core promoter architectures and gene expression stability revealed differences in core promoter usage in monocots and eudicots. Furthermore, when tracing the evolution of a given promoter across species, we found that core promoter type was not a strong predictor of expression stability. Our analysis suggests that core promoter types are correlative rather than causative in promoter expression patterns and highlights the challenges in finding or building constitutive promoters that will work across diverse plant species.

Abstract During development, most cells experience a progressive restriction of fate that ultimately results in a fully differentiated mature state. Understanding more about the gene expression patterns that underlie developmental programs can inform engineering efforts for new or optimized forms. Here, we present a four-state integrase-based recorder of gene expression history and demonstrate its use in tracking gene expression events in Arabidopsis thaliana in two developmental contexts: lateral root initiation and stomatal differentiation. The recorder uses two serine integrases to mediate sequential DNA recombination events, resulting in step-wise, history-dependent switching between expression of fluorescent reporters. By using promoters that express at different times along each of the two differentiation pathways to drive integrase expression, we successfully tied fluorescent status to an ordered progression of gene expression along the developmental trajectory. In one snapshot of a mature tissue, our recorder was able to reveal past gene expression with single cell resolution. In this way, we were able to capture heterogeneity in stomatal development, confirming the existence of two alternate paths of differentiation.