We have isolated seven allelic recessive Arabidopsis mutants, designated superroot (sur1-1 to sur1-7), displaying several abnormalities reminiscent of auxin effects. These characteristics include small and epinastic cotyledons, an elongated hypocotyl in which the connection between the stele and cortical and epidermal cells disintegrates, the development of excess adventitious and lateral roots, a reduced number of leaves, and the absence of an inflorescence. When germinated in the dark, sur1 mutants did not develop the apical hook characteristic of etiolated seedlings. We were able to phenocopy the Sur1- phenotype by supplying auxin to wild-type seedlings, to propagate sur1 explants on phytohormone-deficient medium, and to regenerate shoots from these explants by the addition of cytokinins alone to the culture medium. Analysis by gas chromatography coupled to mass spectrometry indicated increased levels of both free and conjugated indole-3-acetic acid. sur1 was crossed to the mutant axr2 and the altered-auxin response mutant ctr1. The phenotype of both double mutants was additive. The sur1 gene was mapped on chromosome 2 at 0.5 centimorgans from the gene encoding phytochrome B.

CYCD3;1 expression in Arabidopsis is associated with proliferating tissues such as meristems and developing leaves but not with differentiated tissues. Constitutive overexpression of CYCD3;1 increases CYCD3;1-associated kinase activity and reduces the proportion of cells in the G1-phase of the cell cycle. Moreover, CYCD3;1 overexpression leads to striking alterations in development. Leaf architecture in overexpressing plants is altered radically, with a failure to develop distinct spongy and palisade mesophyll layers. Associated with this, we observe hyperproliferation of leaf cells; in particular, the epidermis consists of large numbers of small, incompletely differentiated polygonal cells. Endoreduplication, a marker for differentiated cells that have exited from the mitotic cell cycle, is inhibited strongly in CYCD3;1-overexpressing plants. Transcript analysis reveals an activation of putative compensatory mechanisms upon CYCD3;1 overexpression or subsequent cell cycle activation. These results demonstrate that cell cycle exit in the G1-phase is required for normal cellular differentiation processes during plant development and suggest a critical role for CYCD3 in the switch from cell proliferation to the final stages of differentiation.

In higher animals and plants the processes of growth and patterning are coordinated. Much is known about the genes regulating patterning and many genes have been identified that are involved in cell-cycle control, but there are few instances in which a connection has been made between the two. A study of patterning in Arabidopsis root now shows that two key regulators of root-organ patterning directly control the transcription of specific components of the cell-cycle machinery. This demonstrates a direct link between developmental regulators, components of the cell-cycle machinery and organ patterning. In higher animals and plants, the processes of growth and patterning are coordinated. In this study, the authors study patterning in Arabidopsis root and show that two key regulators of root organ patterning directly control the transcription of specific components of the cell-cycle machinery. This study provides a direct link between developmental regulators, components of the cell-cycle machinery and organ patterning. The development of multicellular organisms relies on the coordinated control of cell divisions leading to proper patterning and growth1,2,3. The molecular mechanisms underlying pattern formation, particularly the regulation of formative cell divisions, remain poorly understood. In Arabidopsis, formative divisions generating the root ground tissue are controlled by SHORTROOT (SHR) and SCARECROW (SCR)4,5,6. Here we show, using cell-type-specific transcriptional effects of SHR and SCR combined with data from chromatin immunoprecipitation-based microarray experiments, that SHR regulates the spatiotemporal activation of specific genes involved in cell division. Coincident with the onset of a specific formative division, SHR and SCR directly activate a D-type cyclin; furthermore, altering the expression of this cyclin resulted in formative division defects. Our results indicate that proper pattern formation is achieved through transcriptional regulation of specific cell-cycle genes in a cell-type- and developmental-stage-specific context. Taken together, we provide evidence for a direct link between developmental regulators, specific components of the cell-cycle machinery and organ patterning.

Current understanding of the integration of cell division and expansion in the development of plant lateral organs such as leaves is limited. Cell number is established during a mitotic phase, and subsequent growth into a mature organ relies primarily on cell expansion accompanied by endocycles. Here we show that the three Arabidopsis cyclin D3 ( CYCD3 ) genes are expressed in overlapping but distinct patterns in developing lateral organs and the shoot meristem. Triple loss-of-function mutants show that CYCD3 function is essential neither for the mitotic cell cycle nor for morphogenesis. Rather, analysis of mutant and reciprocal overexpression phenotypes shows that CYCD3 function contributes to the control of cell number in developing leaves by regulating the duration of the mitotic phase and timing of the transition to endocycles. Petals, which normally do not endoreduplicate, respond to loss of CYCD3 function with larger cells that initiate endocycles. The phytohormone cytokinin regulates cell division in the shoot meristem and developing leaves and induces CYCD3 expression. Loss of CYCD3 impairs shoot meristem function and leads to reduced cytokinin responses, including the inability to initiate shoots on callus, without affecting endogenous cytokinin levels. We conclude that CYCD3 activity is important for determining cell number in developing lateral organs and the relative contribution of the alternative processes of cell production and cell expansion to overall organ growth, as well as mediating cytokinin effects in apical growth and development.

In Arabidopsis, stem cells maintain the provision of new cells for root growth. They surround a group of slowly dividing cells named the quiescent center (QC), and, together, they form the stem cell niche (SCN). The QC acts as the signaling center of the SCN, repressing differentiation of the surrounding stem cells [1van den Berg C. Willemsen V. Hendriks G. Weisbeek P. Scheres B. Short-range control of cell differentiation in the Arabidopsis root meristem.Nature. 1997; 390: 287-289Crossref PubMed Scopus (525) Google Scholar] and providing a pool of cells able to replace damaged stem cells [2Cruz-Ramírez A. Díaz-Triviño S. Wachsman G. Du Y. Arteága-Vázquez M. Zhang H. Benjamins R. Blilou I. Neef A.B. Chandler V. Scheres B. A SCARECROW-RETINOBLASTOMA protein network controls protective quiescence in the Arabidopsis root stem cell organizer.PLoS Biol. 2013; 11: e1001724Crossref PubMed Scopus (111) Google Scholar, 3Heyman J. Cools T. Vandenbussche F. Heyndrickx K.S. Van Leene J. Vercauteren I. Vanderauwera S. Vandepoele K. De Jaeger G. Van Der Straeten D. De Veylder L. ERF115 controls root quiescent center cell division and stem cell replenishment.Science. 2013; 342: 860-863Crossref PubMed Scopus (199) Google Scholar]. Maintenance of the stem cells depends on the transcription factor WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 5 (WOX5), which is specifically expressed in the QC [4Sarkar A.K. Luijten M. Miyashima S. Lenhard M. Hashimoto T. Nakajima K. Scheres B. Heidstra R. Laux T. Conserved factors regulate signalling in Arabidopsis thaliana shoot and root stem cell organizers.Nature. 2007; 446: 811-814Crossref PubMed Scopus (752) Google Scholar]. However, the molecular mechanisms by which WOX5 promotes stem cell fate and whether WOX5 regulates proliferation of the QC are unknown. Here, we reveal a new role for WOX5 in restraining cell division in the cells of the QC, thereby establishing quiescence. In contrast, WOX5 and CYCD3;3/CYCD1;1 both promote cell proliferation in the nascent columella. The additional QC divisions occurring in wox5 mutants are suppressed in mutant combinations with the D type cyclins CYCD3;3 and CYCD1;1. Moreover, ectopic expression of CYCD3;3 in the QC is sufficient to induce cell division in the QC. WOX5 thus suppresses QC divisions that are otherwise promoted by CYCD3;3 and CYCD1;1, in part by interacting with the CYCD3;3 promoter to repress CYCD3;3 expression in the QC. Therefore, we propose a specific role for WOX5 in initiating and maintaining quiescence of the QC by excluding CYCD activity from the QC.

Stomatal guard cells are formed through a sequence of asymmetric and symmetric divisions in the epidermis of the sporophyte of most land plants. We show that several D-type cyclins are consecutively activated in the stomatal linage in the epidermis of Arabidopsis thaliana. Whereas CYCD2;1 and CYCD3;2 are activated in the meristemoids early in the lineage, CYCD7;1 is activated before the final division. CYCD7;1 expression peaks in the guard mother cell, where its transcription is modulated by the FOUR-LIPS/MYB88 transcription factor. FOUR-LIPS/MYB88 interacts with the CYCD7;1 promoter and represses CYCD7;1 transcription. CYCD7;1 stimulates the final symmetric division in the stomatal lineage, since guard cell formation is delayed in the cycd7;1 mutant epidermis and guard mother cell (GMC) divisions in four-lips mutant guard mother cells are limited by loss of function of CYCD7;1. Hence, the precise activation of a specific D-type cyclin, CYCD7;1, is required for correct timing of the last symmetric division that creates the stomatal guards cells, and CYCD7;1 expression is regulated by the FLP/MYB pathway that ensures cell cycle arrest in the stomatal guard cells.

Plants, with cells fixed in place by rigid walls, often utilize spatial and temporally distinct cell division programs to organize and maintain organs. This leads to the question of how developmental regulators interact with the cell cycle machinery to link cell division events with particular developmental trajectories. In Arabidopsis leaves, the development of stomata, two-celled epidermal valves that mediate plant-atmosphere gas exchange, relies on a series of oriented stem-cell-like asymmetric divisions followed by a single symmetric division. The stomatal lineage is embedded in a tissue whose cells transition from proliferation to post-mitotic differentiation earlier, necessitating stomatal lineage-specific factors to prolong competence to divide. We show that the D-type cyclin, CYCD7;1 is specifically expressed just prior to the symmetric guard-cell forming division, and that it is limiting for this division. Further, we find that CYCD7;1 is capable of promoting divisions in multiple contexts, likely through RBR-dependent promotion of the G1/S transition, but that CYCD7;1 is regulated at the transcriptional level by cell-type specific transcription factors that confine its expression to the appropriate developmental window.