The Root of the Problem Developmental processes can define repeated patterns of structure, such as somites in vertebrates. In plants, too, repeated structures arise during growth and development. As the above-ground shoot grows, it sends out leaves or branches at intervals guided by hormone signaling. As the below-ground root grows, it too ramifies, sending out lateral roots. Moreno-Risueno et al. (p. 1306 ; see the Perspective by Traas and Vernoux ) explored the expression of genes underlying development of lateral roots and found that oscillations in gene expression guide the specification of lateral roots.

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.

Abstract Cell polarity is fundamental to the development of both eukaryotes and prokaryotes, yet the mechanisms behind its formation are not well understood. Here we found that, phytohormone auxin-induced, sterol-dependent nanoclustering of cell surface transmembrane receptor kinase 1 (TMK1) is critical for the formation of polarized domains at the plasma membrane (PM) during the morphogenesis of cotyledon pavement cells (PC) in Arabidopsis . Auxin-induced TMK1 nanoclustering stabilizes flotillin1-associated ordered nanodomains, which in turn promote the nanoclustering of ROP6 GTPase that acts downstream of TMK1 to regulate cortical microtubule organization. In turn, cortical microtubules further stabilize TMK1- and flotillin1-containing nanoclusters at the PM. Hence, we propose a new paradigm for polarity formation: A diffusive signal triggers cell polarization by promoting cell surface receptor-mediated nanoclustering of signaling components and cytoskeleton-mediated positive feedback that reinforces these nanodomains into polarized domains.

Cell polarity is intimately linked to numerous biological processes, such as oriented plant cell division, particular asymmetric division, cell differentiation, cell and tissue morphogenesis, and transport of hormones and nutrients. Cell polarity is typically initiated by a polarizing cue that regulates the spatiotemporal dynamic of polarity molecules, leading to the establishment and maintenance of polar domains at the plasma membrane. Despite considerable progress in identifying key polarity regulators in plants, the molecular and cellular mechanisms underlying cell polarity formation have yet to be fully elucidated. Recent work suggests a critical role for membrane protein/lipid nanodomains in polarized morphogenesis in plants. One outstanding question is how the spatiotemporal dynamics of signaling nanodomains are controlled to achieve robust cell polarization. In this review, we first summarize the current state of knowledge on potential regulatory mechanisms of nanodomain dynamics, with a special focus on Rho-like GTPases from plants. We then discuss the pavement cell system as an example of how cells may integrate multiple signals and nanodomain-involved feedback mechanisms to achieve robust polarity. A mechanistic understanding of nanodomains' roles in plant cell polarity is still in the early stages and will remain an exciting area for future investigations.

ABSTRACT Coordination of cell division and differentiation is critical for tissue patterning during organ development. Directional signaling and cell polarity have important roles in coordination of these processes. For instance, the Arabidopsis receptor-like kinase INFLORESCENCE AND ROOT APICES KINASE (IRK) functions to restrict stele area and repress longitudinal anticlinal divisions (LADs) in the endodermis where it is polarly localized. IRK is closely related to PXY/TDR CORRELATED 2 (PXC2); here, we show that PXC2 exhibits similar polarized accumulation suggesting they have related functions. pxc2 roots have increased stele area and irk pxc2 double mutant roots show increases in stele area and endodermal LADs beyond either single mutant, indicating that polarly localized IRK and PXC2 function redundantly to repress endodermal LADs and stele area. The double mutant also exhibits agravitropic root growth and abnormal cotyledon vein patterning. Manipulation of PIN1 trafficking and (re)localization mechanisms indicate that PXC2 and/or IRK suggest a link to modulation of polar auxin transport. We conclude that IRK and PXC2 have partially redundant functions in the root, but may have independent functions that are tissue-specific. We propose that repression of endodermal LADs and stele area through a PXC2/IRK-mediated, directional signaling pathway is required for normal ground tissue cell divisions, tissue patterning, and growth in Arabidopsis roots.

Abstract Root-knot nematodes ( Meloidogyne spp., RKN) are responsible for extensive crop losses worldwide. For infection, they penetrate plant roots, migrate between plant cells, and establish feeding sites, known as giant cells, in the root pericycle. Previously, we found that nematode perception and early plant responses were similar to those for microbial pathogens and require the BAK1 co-receptor in Arabidopsis thaliana and tomato. To identify additional receptors involved in this process, we implemented a reverse genetic screen for resistance or sensitivity to RKN using Arabidopsis T-DNA alleles of genes encoding transmembrane receptor-like kinases. This screen identified a pair of allelic mutations with enhanced resistance to RKN in a gene we named ENHANCED RESISTANCE TO NEMATODES 1 (ERN1). ERN1 encodes a G-type lectin receptor kinase (G-LecRK) with a single pass transmembrane domain. Further characterization showed that ern1 mutants displayed stronger activation of MAP kinases, elevated levels of the defense marker MYB51 , and enhanced H 2 0 2 accumulation in roots upon RKN elicitor treatments. Elevated MYB51 expression and ROS burst were also observed in leaves of ern1 mutants upon flg22 treatment. Complementation of ern1.1 with 35S- or native promotor-driven ERN1 rescued the RKN infection and enhanced defense phenotypes. Taken together, our results indicate that ERN1 is an important negative regulator of immunity. One sentence summary A plasma membrane localized G-lectin receptor kinase acts as a negative immune regulator by interfering with defense responses activated by nematode and microbial elicitors.

Abstract The development of multicellular tissues requires both local and global coordination of cell polarization, however, the mechanisms underlying their interplay are poorly understood. In Arabidopsis, leaf epidermal pavement cells (PC) develop a puzzle-piece shape locally coordinated through apoplastic auxin signaling. Here we show auxin also globally coordinates interdigitation by activating the TIR1/AFB-dependent nuclear signaling pathway. This pathway promotes a transient maximum of auxin at the cotyledon tip, which then moves across the leaf activating local PC polarization, as demonstrated by locally uncaged auxin globally rescuing defects in tir1;afb1;afb2;afb4;afb5 mutant but not in tmk1;tmk2;tmk3;tmk4 mutants. Our findings show that hierarchically integrated global and local auxin signaling systems, which respectively depend on TIR1/AFB-dependent gene transcription in the nucleus and TMK-mediated rapid activation of ROP GTPases at the cell surface, control PC interdigitation patterns in Arabidopsis cotyledons, revealing a mechanism for coordinating a local cellular process with the development of whole tissues.

Ratiometric reporter systems enable comparisons of the abundance of a protein of interest, or target, relative to a reference protein. Both proteins are encoded on a single transcript but are separated during translation. This arrangement bypasses the potential for discordant expression that can arise when the target and reference proteins are encoded by separate genes. We generated a set of 18 Gateway-compatible vectors termed pRATIO that combine a variety of promoters, fluorescent and bioluminescent reporters, and 2A self-cleaving peptides. These constructs are easily modified to produce additional combinations or introduce new reporter proteins. We found that mScarlet-I provides the best signal-to-noise ratio among several fluorescent reporter proteins during transient expression experiments in Nicotiana benthamiana. Firefly and Gaussia luciferase also produce high signal-to-noise in N. benthamiana. As proof of concept, we used this system to investigate whether degradation of the receptor KAI2 after karrikin treatment is influenced by its subcellular localization. KAI2 is normally found in the cytoplasm and the nucleus of plant cells. In N. benthamiana, karrikin-induced degradation of KAI2 was only observed when it was retained in the nucleus. These vectors are tools to easily monitor in vivo the abundance of a protein that is transiently expressed in plants, and will be particularly useful for investigating protein turnover in response to different stimuli.

ABSTRACT Polarized cells are frequently partitioned into subdomains with unique features or functions. As plant cells are surrounded by walls, polarized cell shape and protein polarity in the plasma membrane are particularly important for normal physiology and development. We have identified WALLFLOWER (WFL), a transmembrane receptor kinase that is asymmetrically distributed at the inner face of epidermal cells and this localization is maintained independent of cell type. In epidermal hair (H) cells in the elongation and differentiation zones, WFL exhibits a dual polar localization, accumulating at the inner domain as well as at the root hair initiation domain (RHID). Furthermore, overexpression of WFL leads to a downward shift in root hair (RH) position suggesting WFL operates in a signaling pathway that functions across H cells to inform RH position. WFL asymmetric distribution and function is affected by deletion of the intracellular domains resulting in its mislocalization to the outer polar domain of H cells and exclusion from RHIDs and bulges. Thus, our results demonstrate that in epidermal H cells the WFL intracellular domains are required to direct its dual polar localization and influence RH position. ONE SENTENCE SUMMARY A receptor kinase with dual polar localization, to the inner polar domain and root hair initiation domain, in root epidermal cells, requires its intracellular domain for localization and function.

ABSTRACT Oriented cell divisions produce different cell types and maintain tissue and organ patterning in plants; this is particularly true of the highly organized Arabidopsis root meristem. Because plant cells are encased by walls, the precise orientation of cell divisions is especially important for cell fate specification and tissue/organ organization. Mutant alleles of the transmembrane receptor kinase INFLORESCENCE AND ROOT APICES RECEPTOR KINASE (IRK) exhibit excess endodermal cell divisions, resulting in more cells in the radial axis of irk roots. IRK localizes to the outer polar domain of endodermal cells, which suggests directional signal perception is necessary to repress endodermal cell proliferation. Here, we conducted a detailed examination of endodermal cell divisions in irk and identified a distinct cell division orientation defect. Many excess endodermal divisions in irk-4 have outwardly skewed division planes, therefore we termed them ‘radial askew’ divisions. An IRK truncation lacking the kinase domain retains polar localization and rescues these radial askew divisions, but exhibits excess periclinal divisions, phenocopying the weaker irk-1 allele. These results expand IRK’s function beyond repression of endodermal cell division activity showing it’s also required for division plane orientation. Based on its polarity, we propose that IRK at the outer lateral endodermal cell face interferes with division plane selection, maintenance, and/or cell plate attachment to influence endodermal cell division orientation.