A small organizing center, the quiescent center (QC), maintains stem cells in the Arabidopsis root and defines the stem cell niche. The phytohormone auxin influences the position of this niche by an unknown mechanism. Here, we identify the PLETHORA1 (PLT1) and PLT2 genes encoding AP2 class putative transcription factors, which are essential for QC specification and stem cell activity. The PLT genes are transcribed in response to auxin accumulation and are dependent on auxin response transcription factors. Distal PLT transcript accumulation creates an overlap with the radial expression domains of SHORT-ROOT and SCARECROW, providing positional information for the stem cell niche. Furthermore, the PLT genes are activated in the basal embryo region that gives rise to hypocotyl, root, and root stem cells and, when ectopically expressed, transform apical regions to these identities. Thus, the PLT genes are key effectors for establishment of the stem cell niche during embryonic pattern formation.

Factors with a graded distribution can program fields of cells in a dose-dependent manner, but no evidence has hitherto surfaced for such mechanisms in plants. In the Arabidopsis thaliana root, two PLETHORA (PLT) genes encoding AP2-domain transcription factors have been shown to maintain the activity of stem cells. Here we show that a clade of four PLT homologues is necessary for root formation. Promoter activity and protein fusions of PLT homologues display gradient distributions with maxima in the stem cell area. PLT activities are largely additive and dosage dependent. High levels of PLT activity promote stem cell identity and maintenance; lower levels promote mitotic activity of stem cell daughters; and further reduction in levels is required for cell differentiation. Our findings indicate that PLT protein dosage is translated into distinct cellular responses.

Plants are dependent on divisions of stem cells to establish cell lineages required for growth. During embryogenesis, early division products are considered to be stem cells, whereas during post-embryonic development, stem cells are present in meristems at the root and shoot apex. PLETHORA/AINTEGUMENTA-LIKE (PLT/AIL) transcription factors are regulators of post-embryonic meristem function and are required to maintain stem cell pools. Despite the parallels between embryonic and post-embryonic stem cells, the role of PLTs during early embryogenesis has not been thoroughly investigated. Here, we demonstrate that the PLT regulome in the zygote, and apical and basal cells is in strong congruence with that of post-embryonic meristematic cells. We reveal that out of all six PLTs, only PLT2 and PLT4/BABY BOOM (BBM) are expressed in the zygote, and that these two factors are essential for progression of embryogenesis beyond the zygote stage and first divisions. Finally, we show that other PLTs can rescue plt2 bbm defects when expressed from the PLT2 and BBM promoters, establishing upstream regulation as a key factor in early embryogenesis. Our data indicate that generic PLT factors facilitate early embryo development in Arabidopsis by induction of meristematic potential.

Abstract The BABY BOOM/PLETHORA4 (BBM/PLT4) transcription factor has received much attention due to its ability to induce somatic and zygotic embryogenesis, two processes of pivotal importance in plant breeding. Loss of additional AINTEGUMENTA-LIKE/PLETHORA ( AIL/PLT ) genes, encoding members of the APETALA2 transcription factor family, causes embryo arrest and abortion, but whether BBM/PLT4 provides specific information for embryo development has remained unknown. Here, we reveal that AIL/PLT members are expressed in partially overlapping domains from their first appearance in the apical cell daughter of the zygote. Redundant early embryonic activity of BABY BOOM/PLT4 and PLT2 triggers development of the apical cell lineage and is required to initiate embryonic primordia. Furthermore, promoter swap experiments show that PLT1 and PLT3 expression in the expression domains of PLT2 and BABY BOOM/PLT4 is sufficient to rescue plt2 bbm double mutants. Our data indicate that generic AIL/PLT factors, involved in maintenance of stem cells, promotion of cell division and suppression of cell differentiation, provide the necessary information to initiate embryogenesis in Arabidopsis.