Long distance cell-to-cell communication is critical for the development of multicellular organisms. In this respect, plants are especially demanding as they constantly integrate environmental inputs to adjust growth processes to different conditions. One example is thickening of shoots and roots, also designated as secondary growth. Secondary growth is mediated by the vascular cambium, a stem cell-like tissue whose cell-proliferating activity is regulated over a long distance by the plant hormone auxin. How auxin signaling is integrated at the level of cambium cells and how cambium activity is coordinated with other growth processes are largely unknown. Here, we provide physiological, genetic, and pharmacological evidence that strigolactones (SLs), a group of plant hormones recently described to be involved in the repression of shoot branching, positively regulate cambial activity and that this function is conserved among species. We show that SL signaling in the vascular cambium itself is sufficient for cambium stimulation and that it interacts strongly with the auxin signaling pathway. Our results provide a model of how auxin-based long-distance signaling is translated into cambium activity and suggest that SLs act as general modulators of plant growth forms linking the control of shoot branching with the thickening of stems and roots.

Multipotent stem cell populations, the meristems, are fundamental for the indeterminate growth of plant bodies. One of these meristems, the cambium, is responsible for extended root and stem thickening. Strikingly, although the pivotal role of the plant hormone auxin in promoting cambium activity has been known for decades, the molecular basis of auxin responsiveness on the level of cambium cells has so far been elusive. Here, we reveal that auxin-dependent cambium stimulation requires the homeobox transcription factor WOX4. In Arabidopsis thaliana inflorescence stems, 1-N-naphthylphthalamic acid-induced auxin accumulation stimulates cambium activity in the wild type but not in wox4 mutants, although basal cambium activity is not abolished. This conclusion is confirmed by the analysis of cellular markers and genome-wide transcriptional profiling, which revealed only a small overlap between WOX4-dependent and cambium-specific genes. Furthermore, the receptor-like kinase PXY is required for a stable auxin-dependent increase in WOX4 mRNA abundance and the stimulation of cambium activity, suggesting a concerted role of PXY and WOX4 in auxin-dependent cambium stimulation. Thus, in spite of large anatomical differences, our findings uncover parallels between the regulation of lateral and apical plant meristems by demonstrating the requirement for a WOX family member for auxin-dependent regulation of lateral plant growth.

Genome-wide gene expression maps with a high spatial resolution have substantially accelerated molecular plant science. However, the number of characterized tissues and growth stages is still small because of the limited accessibility of most tissues for protoplast isolation. Here, we provide gene expression profiles of the mature inflorescence stem of Arabidopsis thaliana covering a comprehensive set of distinct tissues. By combining fluorescence-activated nucleus sorting and laser-capture microdissection with next generation RNA sequencing, we characterize transcriptomes of xylem vessels, fibers, the proximal and the distal cambium, phloem, phloem cap, pith, starch sheath, and epidermis cells. Our analyses classify more than 15,000 genes as being differentially expressed among different stem tissues and reveal known and novel tissue-specific cellular signatures. By determining transcription factor binding regions enriched in promoter regions of differentially expressed genes, we furthermore provide candidates for tissue-specific transcriptional regulators. Our datasets predict expression profiles of an exceptional amount of genes and allow generating hypotheses toward the spatial organization of physiological processes. Moreover, we demonstrate that information on gene expression in a broad range of mature plant tissues can be established with high spatial resolution by nuclear mRNA profiling.One sentence summary A genome-wide high-resolution gene expression map of the Arabidopsis inflorescence stem is established.

Spatial organization of signaling events of the phytohormone auxin is fundamental for maintaining a dynamic transition from plant stem cells to differentiated descendants. The cambium, the stem cell niche mediating wood formation, fundamentally depends on auxin signaling but its exact role and spatial organization is obscure. Here, we show that, while auxin signaling levels increase in differentiating cambium descendants, a moderate level of signaling in cambial stem cells is essential for cambium activity. We identify the auxin-dependent transcription factor ARF5/MONOPTEROS to cell-autonomously restrict the number of stem cells by attenuating the activity of the stem cell promoting WOX4 gene. In contrast, ARF3 and ARF4 function as cambium activators in a redundant fashion from outside of WOX4-expressing cells. Our results reveal an influence of auxin signaling on distinct cambium features by specific signaling components and allow the conceptual integration of plant stem cell systems with distinct anatomies.