Summary Germ cells (GCs) transmit genetic information from one generation to the next. Unlike animal GCs, plant GCs are induced post-embryonically, forming locally from somatic cells. This induction is coordinated with organogenesis and might be guided by positional cues. In angiosperms, male GCs initiate from the internal layers at the four corners of the anther primordia and are gradually enclosed by parietal cell (PC) layers, leading to a concentric GC-PC pattern. 1,2 However, the underlying mechanism of GC initiation and GC-PC pattern formation is unclear. Auxin affects pattern formation 3 and anther development. 4–11 However, whether GC formation involves auxin remains unknown. We report that the auxin distribution in pre-meiotic anthers parallels GC initiation, forming a centripetal gradient between the outer primordial cells and the inner GCs. The auxin biosynthesis genes TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS 1 ( TAA1 ) and TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE RELATED 2 ( TAR2 ) 5,12 are responsible for this patterning and essential for GC specification. SPOROCYTELESS/NOZZLE ( SPL/NZZ , a determinant for GC specification) 13–15 mediates the effect of auxin on GC specification, modulates auxin homeostasis, and maintains centripetal auxin patterning. Our results reveal that auxin is a key factor guiding GC specification in Arabidopsis anthers.

Distinguishing things from beings, or matters from lives, is a fundamental question. Extending E. Schrodinger's neg-entropy and I. Prigogine's dissipative structure, we propose a chemical kinetic view that the earliest "live" process is essentially a special interaction between a pair of specific components under a corresponding, particular environmental conditions. The interaction exists as an inter-molecular-force-bond complex (IMFBC) that couples two separate chemical processes: One is the spontaneous formation of an IMFBC driven by the decrease of Gibbs free energy as a dissipative process; while the other is the disassembly of the IMFBC driven thermodynamically by free energy input from the environment. The two processes that are coupled by the IMFBC were originated independently and considered non-living on Earth, but the IMFBC coupling of the two can be considered as the earliest form of metabolism: This forms the first landmark on the path from things to a being. The dynamic formation and dissemblance of the IMFBCs, as composite individuals, follows a principle designated as "...structure for energy for structure for energy ...", the cycle continues, shortly "structure for energy cycle". With additional features derived from an IMFBC, such as multiple intermediates, autocatalytic ability of one individual upon the formation of another, aqueous medium, and mutual beneficial relationship between formation of polypeptides and nucleic acids, etc., the IMFBC-centered "live" process spontaneously evolved into more complex living organisms with the characteristics one currently knows.

Abstract A plant can be thought of as a colony comprising numerous growth buds, each developing to its own rhythm. Such lack of synchrony impedes efforts to describe core principles of plant morphogenesis, dissect the underlying mechanisms, and identify regulators. Here, we use the tiniest known angiosperm to overcome this challenge and provide an ideal model system for plant morphogenesis. We present a detailed morphological description of the monocot Wolffia australiana , as well as high-quality genome information. Further, we developed the Plant-on-Chip culture system and demonstrate the application of advanced technologies such as snRNA-seq, protein structure prediction, and gene editing. We provide proof-of-concept examples that illustrate how W. australiana can open a new horizon for deciphering the core regulatory mechanisms of plant morphogenesis. Significance What is the core morphogenetic process in angiosperms, a plant like a tree indeterminately growing, or a bud sequentially generating limited types of organs? Wolffia australiana , one of the smallest angiosperms in the world may help to make a distinction. Wolffia plantlet constitutes of only three organs that are indispensable to complete life cycle: one leaf, one stamen and one gynoecium. Before the growth tip is induced to flower, it keeps branching from the leaf axil and the branches separate from the main plantlet. Here we present a high-quality genome of W. australiana , detailed morphological description, a Plant-on-Chip cultural system, and some principle-proof experiments, demonstrating that W. australiana is a promising model system for deciphering core developmental program in angiosperms.

ABSTRACT Rice ( Oryza sativa ) OsMADS58 is a C-class MADS box protein, and characterization of a transposon insertion mutant osmads58 suggested that OsMADS58 plays a role in stamen development. However, as no null mutation has been obtained, its role has remained unclear. Here, we report that the CRISPR knockout mutant osmads58 exhibits complex altered phenotypes, including anomalous diploid germ cell differentiation, aberrant meiosis, and delayed tapetum degeneration. This CRISPR mutant line exhibited stronger changes in expression of OsMADS58 target genes compared with the osmads58 dSpm (transposon insertion) line, along with changes in multiple pathways related to early stamen development. Notably, transcriptional regulatory circuits in young panicles covering the stamen at stages 4–6 were substantially altered in the CRISPR line compared to the dSpm line. These findings strongly suggest that the pleiotropic effects of OsMADS58 on stamen development derive from a potential role in stabilizing gene regulatory circuits during early stamen development. Thus, this work opens new avenues for viewing and deciphering the regulatory mechanisms of early stamen development from a network perspective.