MOLECULAR MECHANISMS OF A ROOT SYSTEM TO SOIL ADAPTATION

Contrairement aux animaux, les plantes sont des organismes sessiles qui ne possèdent pas de mécanismes de fuite quand les conditions environnementales ne sont plus optimales. Les plantes sont physiquement ancrées à l'endroit où elles ont germées et aux conditions environnementales qui parfois peuvent être extrêmes. Les possibilités d'acclimatation de différentes espèces, parfois même de groupes de plantes au sein d'une même espèce, peuvent varier mais repose sur une adaptation génétique de la plante. L'adaptation est un long processus qui repose sur l'apparition spontanée de mutations génétiques, leur mise à l'épreuve face aux conditions environnementales, et dans le cas où la mutation a un impact positif sur la survie dans cet habitat particulier, elle sera maintenue dans une population donnée de plantes. De telles populations, appelées écotypes, sont le matériel de départ pour la découverte de gènes qui induisent un bénéfice pour la plante dans un environnement donné. La plante la plus étudiée en biologie moléculaire est Arabidopsis thaliana, l'arabette des prés. Dans une étude précédente, les racines d'écotypes naturels d'Arabidopsis ont été comparées et un écotype, Uk-1, avait le système racinaire le plus particulier. Cet écotype possède des racines beaucoup plus courtes et plus ramifiées que tous les autres écotypes. Des analyses plus poussées ont montré qu'une seule mutation dans un gène était la cause de ce phénotype, le gène BREVIS RADIX (BRX), mot latin signifiant 'racine courte'. Bien que l'on connaisse le gène BRX, on connaît finalement peu de choses sur son importance adaptative. Dans cette étude, nous avons montré que la mutation dans le gène BRX rend la plante plus résistante aux sols acides. Dans l'optique de mieux comprendre cette valeur adaptative du mutant brx, nous avons analysé dans quels tissus le gène BRX jouait un rôle important. Nous avons pu mettre en évidence que BRX est important pour le développement du protophloème. Le protophloème est un élément du système vasculaire de la plante. En général, les plantes supérieures possèdent deux systèmes de transport à longue distance. L'un d'eux, appelé xylème, transporte l'eau et les nutriments absorbés du sol par les racines vers les feuilles. Les feuilles sont le siège du processus de photosynthèse au cours duquel sont produits des sucres qui devront être distribués partout dans les autres parties de la plante. Le tissu cellulaire chargé de livrer les produits de la photosynthèse, ainsi que les régulateurs de croissance, est le phloème. Ce dernier regroupe le métaphloème et le protophloème. Le protophloème est essentiel pour la livraison des sucres synthétisés ainsi que des signaux de croissance aux pointes des racines, centres organogéniques responsables de la production de nouvelles cellules durant la phase de croissance de la racine. La structure du protophloème peut être décrite comme des tubes continus, vides et résistants, faits de cellules spécialisées qui permettent un transport efficace et rapide. Nous avons montré que dans les mutants brx ces canaux de transports sont discontinus car certaines cellules n'ont pas terminé leur cycle de différenciation. Ces cellules obstruent le conduit ce qui fait que les sucres et les signaux de croissance, comme l'auxine, ne peuvent plus être transportés aux méristèmes. En conséquence, la prolifération de l'activité des méristèmes est compromise, ce qui explique les racines courtes. Au lieu d'être délivré aux méristèmes, l'auxine se concentre en amont des méristèmes où cela provoque l'apparition de nouvelles racines branchées et, très probablement, l'activation des pompes à protons. Sur des sols acides, la concentration en ion H+ est très élevée. Ces ions entrent dans les cellules de la racine par diffusion et perturbent notablement la croissance des racines et de la plante en général. Si les cellules de la racine possédaient des pompes à protons hyperactives, elles seraient capable d'évacuer le surplus d'ions H+ en dehors de la cellule, ce qui leur assurerait de meilleures chances de survie sur sols acides. De fait, le mutant brx est capable d'acidifier le milieu de culture dans lequel il est cultivé plus efficacement que la plante sauvage. Ce mutant est également capable de donner plus de progéniture sur ce type de milieu de croissance que les plantes sauvages. Finalement, nous avons trouvé d'autres mutants brx en milieu naturel poussant sur sols acides, ce qui suggère fortement que la mutation du gène BRX est une des causes de l'adaptation aux sols acides. -- Plants as sessile organisms have developed different mechanisms to cope with the complex environmental conditions in which they live. Adaptation is the process through which traits evolve by natural selection to functionally improve in a given environmental context. An adaptation to the environment is characterized by the genetic changes in the entire populations that have been fixed by natural selection over many generations. BREVIS RADIX (BRX) gene was found through natural Arabidopsis accessions screen and was characterized as a root growth regulator since loss-of-function mutants exhibit arrested post-embryonic primary root growth in addition to a more branched root system. Although brx loss-of-function causes a complete alteration in root architecture, BRX activity is only required in the root vasculature, in particular in protophloem cell file. Protophloem is a part of the phloem transport network and is responsible for delivery of photo-assimilates and growth regulators, coming from the shoot through mature phloem component - metaphloem, to the all plant primary meristems. In order to perform its function, protophloem is the first cell file to differentiate within the root meristem. During this process, protophloem cells undergo a partial programmed cell death, during which they build a thicker cell wall, degrade nucleus and tonoplast while plasma membrane stays functional. Interestingly, protophloem cells enter elongation process only after differentiation into sieve elements is completed. Here we show that brx mutants fail to differentiate protophloem cell file properly, a phenotype that can be distinguished by a presence of a "gap" cells, non-differentiated cells between two flanking differentiated cells. Discontinuity of protophloem differentiation in brx mutants is considered to be a consequence of local hyperactivity of CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) signaling module. Interestingly, a CLE45 activity, most probably at the level of receptor binding, can be modulated by apoplastic pH. Altogether, our results imply that the activity of proton pumps, expressed in non-differentiated cells of protophloem, must be maintained under certain threshold, otherwise CLE45-BAM3 signaling pathway will be stimulated and in turn protophloem will not differentiate. Based on vacuolar morphology, a premature cell wall acidification in brx mutants stochastically prevents the protophloem differentiation. Only after protophloem differentiates, proton pumps can be activated in order to acidify apoplast and to support enucleated protophloem multifold elongation driven by surrounding cells growth. Finally, the protophloem differentiation failure would result in an auxin "traffic jam" in the upper parts of the root, created from the phloem-transported auxin that cannot be efficiently delivered to the meristem. Physiologically, auxin "leakage" from the plant vasculature network could have various consequences, since auxin is involved in the regulation of almost every aspect of plant growth and development. Thus, given that auxin stimulates lateral roots initiation and growth, this scenario explains more branched brx root system. Nevertheless, auxin is considered to activate plasma membrane proton pumps. Along with this, it has been shown that brx mutants acidify media much more than the wild type plants do, a trait that was proposed as an adaptive feature of naturally occurring brx null alleles in Arabidopsis populations found on acidic soils. Additionally, in our study we found that most of accessions originally collected from acidic sampling sites exhibit hypersensitivity to CLE45 treatment. This implies that adaptation of plants to acidic soil involves a positive selection pressure against upstream negative regulators of CLE45-BAM3 signaling, such as BRX. Perspective analysis of these accessions would provide more profound understanding of molecular mechanisms underlying plant adaptation to acidic soils. All these results are suggesting that targeting of the factors that affect protophloem differentiation is a good strategy of natural selection to change the root architecture and to develop an adaptation to a certain environment. -- Les plantes comme organismes sessiles ont développé différents mécanismes pour s'adapter aux conditions environnementales complexes dans lesquelles elles vivent. L'adaptation est le processus par lequel des traits vont évoluer via la sélection naturelle vers une amélioration fonctionnelle dans un contexte environnemental donné. Une adaptation à l'environnement est caractérisée par des changements génétiques dans des populations entières qui ont été fixés par la sélection naturelle sur plusieurs générations. Le gène BREVIS RADIX (BRX) a été identifié dans le crible d'une collection d'accessions naturelles d'Arabidopsis et a été caractérisé comme un régulateur de la croissance racinaire étant donné que le mutant perte-de-fonction montre une croissance racinaire primaire arrêtée au stade post-embryonnaire et présente de plus un système racinaire plus ramifié que la plante sauvage. Bien que le mutant perte-de-fonction brx cause une altération complète de l'architecture racinaire, l'activité de BRX n'est requise que dans la vascularisation racinaire, en particulier au niveau du protophloème. Le protophloème est un composant du réseau de transport du phloème et est responsable du transit des dérivés de la photosynthèse ainsi que des régulateurs de croissances, venant de la partie aérienne par le phloème mature (métaphloème) vers tous les méristèmes primaires de la plante. Pour pouvoir réaliser sa fonction, le protophloème est la première file de cellules à se différencier à l'intérieur du méristème de la racine. Pendant ce processus, les cellules du protophloème subissent une mort cellulaire programmée partielle durant laquelle elles épaississent leur paroi cellulaire, dégradent le noyau et le tonoplaste tandis que la membrane plasmique demeure fonctionnelle. De manière intéressante, les cellules du protophloème entament le processus d'allongement seulement après que la différenciation en tubes criblés soit complète. Ce travail montre que le mutant brx est incapable de mener à bien la différenciation de la file de cellules du protophloème, phénotype qui peut être visualisé par la présence de cellules 'trous', de cellules non différenciées entourées de deux cellules différenciées. La discontinuité de la différenciation du phloème dans le mutant brx est considérée comme la conséquence de l'hyperactivité localisée du module de signalisation CLA VA TA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). De manière intéressante, l'activité de CLE45, très probablement au niveau de la liaison avec le récepteur, peut être modulé par le pH apoplastique. Pris ensemble, nos résultats impliquent que l'activité des pompes à protons, actives dans les cellules non différenciées du protophloème, doit être maintenue en dessous d'un certain seuil autrement la cascade de signalisation CLE45-BAM3 serait stimulée, en conséquence de quoi le protophloème ne pourrait se différencier. D'après la morphologie vacuolaire, une acidification prématurée de la paroi cellulaire dans le mutant brx empêche la différenciation du protophloème de manière stochastique. Une fois que le protophloème se différencie, les pompes à protons peuvent alors être activées afin d'acidifier l'apoplaste et ainsi faciliter l'allongement des cellules énuclées du protophloème, entraînées par la croissance des cellules environnantes. Finalement, la différenciation défectueuse du protophloème produit une accumulation d'auxine dans la partie supérieure de la racine car le phloème ne peut plus acheminer efficacement l'auxine au méristème. Physiologiquement, la 'fuite' d'auxine à partir du réseau vasculaire de la plante peut avoir des conséquences variées puisque l'auxine est impliquée dans la régulation de la majorité des aspects de la croissance et développement de la plante. Etant donné que l'auxine stimule l'initiation et développement des racines latérales, ce scénario pourrait expliquer le système racinaire plus ramifié du mutant brx. En plus, l'auxine est considérée comme un activateur des pompes à protons. Par ailleurs, nous avons montré que les mutants brx ont la capacité d'acidifier le milieu plus efficacement que les plantes sauvages, une caractéristique des populations sauvages <¥Arabidopsis poussant sur des sols acides et contenant les allèles délétés brx. De plus, dans nos résultats nous avons mis en évidence que la plupart des accessions collectées originellement sur des sites acidophiles montre une hypersensibilité au traitement par CLE45. Ceci implique que l'adaptation des plantes aux sols acides repose sur la pression de sélection positive à rencontre des régulateurs négatifs de CLE45- BAM3, situés en amont de la cascade, tel le produit du gène BRX. Les analyses de ces accessions pourraient aboutir à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires responsables de l'adaptation des plantes aux sols acides. Tous nos résultats suggèrent que le ciblage des facteurs affectant la différenciation du protophloème serait une stratégie gagnante dans la sélection naturelle pour changer l'architecture de la racine et ainsi s'adapter efficacement à un nouvel environnement

pH-dependent CLE peptide perception permits phloem differentiation in Arabidopsis roots.

The plant vasculature delivers phloem sap to the growth apices of sink organs, the meristems, via the interconnected sieve elements of the protophloem. <sup>1</sup> <sup>,</sup> <sup>2</sup> <sup>,</sup> <sup>3</sup> In the A. thaliana root meristem, the stem cells form two files of protophloem sieve elements (PPSEs), whose timely differentiation requires a set of positive genetic regulators. In corresponding loss-of-function mutants, signaling of secreted CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) peptide through the BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) receptor is hyperactive and interferes with PPSE differentiation. This can be mimicked by an external CLE45 application to wild type. Because developing PPSEs express CLE45-BAM3 pathway components from early on until terminal differentiation, it remains unclear how they escape the autocrine inhibitory CLE45 signal. Here, we report that the wild type becomes insensitive to CLE45 treatment on neutral to alkaline pH media, as well as upon simultaneous treatment with a specific proton pump inhibitor at a standard pH of 5.7. We find that these observations can be explained by neither pH-dependent CLE45 uptake nor pH-dependent CLE45 charge. Moreover, pH-dependent perception specifically requires the CLE45 R4 residue and is not observed for the redundant PPSE-specific CLE25 and CLE26 peptides. Finally, pH-dependent CLE45 response in developing PPSEs as opposed to pH-independent response in neighboring cell files indicates that late-developing PPSEs can no longer sense CLE45. This is consistent with an apoplastic acidic to alkaline pH gradient we observed along developing PPSE cell files. In summary, we conclude that developing PPSEs self-organize their transition to differentiation by desensitizing themselves against autocrine CLE45 signaling through an apoplastic pH increase

Primary root protophloem differentiation requires balanced phosphatidylinositol-4,5-biphosphate levels and systemically affects root branching.

Protophloem is a specialized vascular tissue in growing plant organs, such as root meristems. In Arabidopsis mutants with impaired primary root protophloem differentiation, brevis radix (brx) and octopus (ops), meristematic activity and consequently overall root growth are strongly reduced. Second site mutation in the protophloem-specific presumed phosphoinositide 5-phosphatase COTYLEDON VASCULAR PATTERN 2 (CVP2), but not in its homolog CVP2-LIKE 1 (CVL1), partially rescues brx defects. Consistent with this finding, CVP2 hyperactivity in a wild-type background recreates a brx phenotype. Paradoxically, however, while cvp2 or cvl1 single mutants display no apparent root defects, the root phenotype of cvp2 cvl1 double mutants is similar to brx or ops, although, as expected, cvp2 cvl1 seedlings contain more phosphatidylinositol-4,5-biphosphate. Thus, tightly balanced phosphatidylinositol-4,5-biphosphate levels appear essential for proper protophloem differentiation. Genetically, OPS acts downstream of phosphatidylinositol-4,5-biphosphate levels, as cvp2 mutation cannot rescue ops defects, whereas increased OPS dose rescues cvp2 cvl1 defects. Finally, all three mutants display higher density and accelerated emergence of lateral roots, which correlates with increased auxin response in the root differentiation zone. This phenotype is also created by application of peptides that suppress protophloem differentiation, CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 26 (CLE26) and CLE45. Thus, local changes in the primary root protophloem systemically shape overall root system architecture

A qualitative continuous model of cellular auxin and brassinosteroid signaling and their crosstalk.

Motivation: Hormone pathway interactions are crucial in shaping plant development, such as synergism between the auxin and brassinosteroid pathways in cell elongation. Both hormone pathways have been characterized in detail, revealing several feedback loops. The complexity of this network, combined with a shortage of kinetic data, renders its quantitative analysis virtually impossible at present.Results: As a first step towards overcoming these obstacles, we analyzed the network using a Boolean logic approach to build models of auxin and brassinosteroid signaling, and their interaction. To compare these discrete dynamic models across conditions, we transformed them into qualitative continuous systems, which predict network component states more accurately and can accommodate kinetic data as they become available. To this end, we developed an extension for the SQUAD software, allowing semi-quantitative analysis of network states. Contrasting the developmental output depending on cell type-specific modulators enabled us to identify a most parsimonious model, which explains initially paradoxical mutant phenotypes and revealed a novel physiological feature

Molecular genetic framework for protophloem formation.

The phloem performs essential systemic functions in tracheophytes, yet little is known about its molecular genetic specification. Here we show that application of the peptide ligand CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) specifically inhibits specification of protophloem in Arabidopsis roots by locking the sieve element precursor cell in its preceding developmental state. CLE45 treatment, as well as viable transgenic expression of a weak CLE45(G6T) variant, interferes not only with commitment to sieve element fate but also with the formative sieve element precursor cell division that creates protophloem and metaphloem cell files. However, the absence of this division appears to be a secondary effect of discontinuous sieve element files and subsequent systemically reduced auxin signaling in the root meristem. In the absence of the formative sieve element precursor cell division, metaphloem identity is seemingly adopted by the normally procambial cell file instead, pointing to possibly independent positional cues for metaphloem formation. The protophloem formation and differentiation defects in brevis radix (brx) and octopus (ops) mutants are similar to those observed in transgenic seedlings with increased CLE45 activity and can be rescued by loss of function of a putative CLE45 receptor, BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). Conversely, a dominant gain-of-function ops allele or mild OPS dosage increase suppresses brx defects and confers CLE45 resistance. Thus, our data suggest that delicate quantitative interplay between the opposing activities of BAM3-mediated CLE45 signals and OPS-dependent signals determines cellular commitment to protophloem sieve element fate, with OPS acting as a positive, quantitative master regulator of phloem fate

The Effects of High Steady State Auxin Levels on Root Cell Elongation in Brachypodium.

The long-standing Acid Growth Theory of plant cell elongation posits that auxin promotes cell elongation by stimulating cell wall acidification and thus expansin action. To date, the paucity of pertinent genetic materials has precluded thorough analysis of the importance of this concept in roots. The recent isolation of mutants of the model grass species Brachypodium distachyon with dramatically enhanced root cell elongation due to increased cellular auxin levels has allowed us to address this question. We found that the primary transcriptomic effect associated with elevated steady state auxin concentration in elongating root cells is upregulation of cell wall remodeling factors, notably expansins, while plant hormone signaling pathways maintain remarkable homeostasis. These changes are specifically accompanied by reduced cell wall arabinogalactan complexity but not by increased proton excretion. On the contrary, we observed a tendency for decreased rather than increased proton extrusion from root elongation zones with higher cellular auxin levels. Moreover, similar to Brachypodium, root cell elongation is, in general, robustly buffered against external pH fluctuation in Arabidopsis thaliana However, forced acidification through artificial proton pump activation inhibits root cell elongation. Thus, the interplay between auxin, proton pump activation, and expansin action may be more flexible in roots than in shoots

Spatio-temporal sequence of cross-regulatory events in root meristem growth

A central question in developmental biology is how multicellular organisms coordinate cell division and differentiation to determine organ size. In Arabidopsis roots, this balance is controlled by cytokinin-induced expression of SHORT HYPOCOTYL 2 (SHY2) in the so-called transition zone of the meristem, where SHY2 negatively regulates auxin response factors (ARFs) by protein–protein interaction. The resulting down-regulation of PIN-FORMED (PIN) auxin efflux carriers is considered the key event in promoting differentiation of meristematic cells. Here we show that this regulation involves additional, intermediary factors and is spatio-temporally constrained. We found that the described cytokinin–auxin crosstalk antagonizes BREVIS RADIX (BRX) activity in the developing protophloem. BRX is an auxin-responsive target of the prototypical ARF MONOPTEROS (MP), a key promoter of vascular development, and transiently enhances PIN3 expression to promote meristem growth in young roots. At later stages, cytokinin induction of SHY2 in the vascular transition zone restricts BRX expression to down-regulate PIN3 and thus limit meristem growth. Interestingly, proper SHY2 expression requires BRX, which could reflect feedback on the auxin responsiveness of SHY2 because BRX protein can directly interact with MP, likely acting as a cofactor. Thus, cross-regulatory antagonism between BRX and SHY2 could determine ARF activity in the protophloem. Our data suggest a model in which the regulatory interactions favor BRX expression in the early proximal meristem and SHY2 prevails because of supplementary cytokinin induction in the later distal meristem. The complex equilibrium of this regulatory module might represent a universal switch in the transition toward differentiation in various developmental contexts