ABSTRACT Background The zygote, a totipotent stem cell, constitutes a critical stage of the life cycle of sexually reproducing organisms. It is produced by the fusion of two differentiated cells — the egg and sperm, which in plants have radically different siRNA transcriptomes from each other and from multicellular embryos. Due to technical challenges, the epigenetic changes that accompany the zygotic transition are poorly understood. Results Here, we characterized the small RNA transcriptome of rice zygotes. We found widespread redistribution of 24-nt siRNAs relative to gametes, including absence of sperm signature siRNAs, reduction at egg signature siRNA loci, and upregulation at seedling signature siRNA loci. Loci with reduced siRNAs in zygote relative to egg were gene-distal and heterochromatic, while loci with increased siRNAs relative to egg had a similar genomic distribution to canonical siRNA loci. Although both egg and zygote siRNA loci had higher mCHH level in wildtype than in drm2 embryo, zygote but not egg siRNA loci were associated with hypermethylation in mature embryo. A small fraction of siRNA loci (~1%) called siren loci accounted for 60% of all siRNAs within zygote siRNA loci, that likely arose from maternal carryover as they had similarly abundant siRNAs in egg; these siren loci were not associated with embryo hypermethylation. Conclusions Taken together, our results indicate re-distribution of siRNAs in rice zygotes towards the canonical vegetative profile, that are consistent with the initiation of resetting of the gametic epigenome before the first embryonic division.

The soybean root system is complex. In addition to being composed of various cell types, the soybean root system includes the primary root, the lateral roots, and the nodule, an organ in which mutualistic symbiosis with N-fixing rhizobia occurs. A mature soybean root nodule is characterized by a central infection zone where atmospheric nitrogen is fixed and assimilated by the symbiont, resulting from the close cooperation between the plant cell and the bacteria. To date, the transcriptome of individual cells isolated from developing soybean nodules has been established, but the transcriptomic signatures of cells from the mature soybean nodule have not yet been characterized. Using single-nucleus RNA-seq and Molecular Cartography technologies, we precisely characterized the transcriptomic signature of soybean root and mature nodule cell types and revealed the co-existence of different sub-populations of B. diazoefficiens-infected cells in the mature soybean nodule, including those actively involved in nitrogen fixation and those engaged in senescence. Mining of the single-cell-resolution nodule transcriptome atlas and the associated gene co-expression network confirmed the role of known nodulation-related genes and identified new genes that control the nodulation process. For instance, we functionally characterized the role of GmFWL3, a plasma membrane microdomain-associated protein that controls rhizobial infection. Our study reveals the unique cellular complexity of the mature soybean nodule and helps redefine the concept of cell types when considering the infection zone of the soybean nodule.

Abstract The cell cycle controls division and proliferation of all eukaryotic cells and is tightly regulated at multiple checkpoints by complexes of core cell cycle proteins. Due to the difficulty in accessing female gametes and zygotes of flowering plants, little is known about the molecular mechanisms underlying initiation embryogenesis despite the crucial importance of this process for seed crops. In this study, we reveal four levels of factors involved in rice zygotic cell cycle control and characterize their functions and regulation. Protein-protein interaction studies, including within zygote cells, and in vitro biochemical analyses delineate a model of the zygotic cell cycle core complex for rice. In this model, CDKB1, a major regulator of plant mitosis, is a cyclin (CYCD5)-dependent kinase; its activity is coordinately inhibited by two cell cycle inhibitors, KRP4 and KRP5; and both KRPs are regulated via F-box protein 3 (FB3)-mediated proteolysis. Supporting their critical role in controlling the rice zygotic cell cycle, mutations in KRP4, KRP5, and FB3 result in the compromised function of sperm cells and abnormal organization of female germ units, embryo and endosperm, thus significantly reducing seed-set rates. This work helps reveals regulatory mechanisms controlling the zygotic cell cycle toward seed formation in angiosperms.

Gametes constitute a critical stage of the plant life cycle, during which the genome undergoes reprogramming in preparation for embryogenesis. Here we characterized the small RNA transcriptomes of egg cells and sperm cells from rice to elucidate genome-wide distributions of 24nt siRNAs, which are a hallmark of RNA-directed DNA methylation (RdDM) in plants and are typically concentrated at boundaries of heterochromatin. We found that 24nt siRNAs were depleted from heterochromatin boundaries in both gametes, reminiscent of siRNA patterns in DDM1-type nucleosome remodeler mutants. In sperm, 24nt siRNAs were spread across broad heterochromatic regions, while in eggs, 24nt siRNAs were concentrated at a smaller number of heterochromatic loci throughout the genome, which were shared with vegetative tissues and sperm. In both gametes, patterns of CHH methylation, typically a strong indicator of RdDM, were similar to vegetative tissues, although lower in magnitude. These findings indicate that the small RNA transcriptome undergoes large-scale re-programming in both male and female gametes, which is not correlated with recruitment of DNA methyltransferases in gametes and suggestive of unexplored regulatory activities of gamete small RNAs in seeds after fertilization.

Soybean (Glycine max) is an essential source of protein and oil with high nutritional value for human and animal consumption. To enhance our understanding of soybean biology, it is essential to have accurate information regarding the expression of each of its 55,897 protein-coding genes. Here, we present Tabula Glycine, the soybean single-cell resolution transcriptome atlas. This atlas is composed of single-nucleus RNA-sequencing data of nearly 120,000 nuclei isolated from 10 different Glycine max organs and morphological structures comprising the entire soybean plant. These nuclei are grouped into 157 different clusters based on their transcriptomic profiles. Among genes, the pattern of activity of transcription factor genes is sufficient to define most cell types and their organ and morphological structure of origin, suggesting that transcription factors are key determinants of cell identity and function. This unprecedented level of resolution makes the Tabula Glycine a unique resource for the plant and soybean communities.

Abstract Due to the difficulty in accessing to gametes and zygotes in flowering plants, which are controlled in single cells deeply embedded in multiple tissues, little is known about how the initiation of plant embryogenesis may reflect or contrast from such systems in other eukaryotes. In this study we has developed an approach of isolation and transfection of rice egg cells and zygotes for cellular localization of rice cell cycle factors (KRP5, KRP4 and FB3), which opened a pathway to monitor protein expression in rice egg cells and zygotes at different developmental stages. The advantageous feature of isolated rice cells may serve as an ideal system for studying the molecular mechanism underlying the rice zygotic division to initiate seed formation.