The vascular system of plants functions as a transportation route for water, nutrients and signaling molecules while also forming a support structure and generating most of the radial growth by increasing the number of cell files through periclinal cell divisions. These features have transformed life on Earth by enabling plants to colonize land and grow larger. In mature plants, the conductive tissues xylem and phloem are produced from stem cells in the vascular cambium, which develops from the procambium formed during early development. The vascular cylinder of the Arabidopsis root comprises a central xylem axis with a peripheral phloem pole on either side and procambial cells located between the xylem and phloem. Formation of the vascular pattern requires high auxin and cytokinin signaling domains in the xylem and phloem/procambium positions, respectively. However, the gene regulatory network acting downstream of these hormonal cues has remained unknown.
I investigated procambium patterning in the Arabidopsis root. Our research group discovered that radial growth is activated in the peripheral phloem domain by six mobile DOF transcription factors that we named PHLOEM EARLY DOF (PEAR) proteins, consisting of PEAR1, PEAR2, and their four homologues. PEAR proteins form an inverse concentration gradient to the HD-ZIP III transcription factors, which inhibit periclinal cell divisions in the central domain partially by inhibiting the movement of PEAR proteins. HD-ZIP III expression is promoted by auxin in the xylem axis and inhibited by endodermis-derived mobile microRNA165/166 in the periphery. The PEAR and HD-ZIP III genes form a feedback loop in which the PEAR proteins promote HD-ZIP III transcription while the HD-ZIP IIIs inhibit PEAR transcription and protein movement. The PEAR-HD-ZIP III regulatory module decodes hormonal and microRNA signals to result in the formation of a highly active peripheral zone and a more quiescent central zone during procambium development. We also determined that a member of the DOF family, DOF2.1, acts downstream of TARGET OF MONOPTEROS 5/LONESOME HIGHWAY-dependent cytokinin biosynthesis to regulate periclinal cell divisions in the outer procambial cells in contact with the xylem axis. Together, PEAR and DOF2.1 proteins control all of the periclinal divisions in the procambium through their activity in partially distinct domains.
We also identified SUPPRESSOR OF MAX2 1-LIKE 3 (SMXL3), a member of SMXL subclade 2 which is expressed in the early phloem and procambium cells, as a putative direct target of PEAR2 that is sufficient to promote periclinal divisions. Characterization of SMXL subclade 2 identified SMXL3, 4 and 5 as essential regulators of phloem formation that act very early in development and thus are required for all aspects of phloem development. Phloem specification requires periclinal divisions in the procambium. SMXL3, 4 and 5 act in both the periclinal divisions and phloem specification in a partially redundant manner. Furthermore, analysis of regulators downstream of the PEARs revealed that they not only promote cell proliferation but also specify the identity of the surrounding cells non-cell autonomously, including procambial and phloem pole pericycle identity.
Our work highlights the importance of cell-to-cell communication in plant development. The interaction of mobile hormones, transcription factors and microRNAs originating from different tissues is required to coordinate developmental processes in the vascular cylinder. We have assembled the most complete understanding to date of the regulatory network coordinating procambial development and have identified the protophloem sieve elements as the organizers of radial growth during the early stages of vascular development in the Arabidopsis root. These findings can potentially be used to increase yields in forestry and agriculture.Kasvien johtosolukko kuljettaa vettä, ravinteita ja viestimolekyylejä, sekä toimii tukirakenteena, joka tuottaa suurimman osan kasvin paksuuskasvusta solun pitkittäisen akselin suuntaistesti tapahtuvien ns. periklinaalisten solunjakautumisten avulla. Näiden ominaisuuksien ansiosta kasvit pystyivät siirtymään maalle ja kasvamaan kooltaan suuremmiksi, minkä seurauksena elämä maanpäällä muuttui täysin. Täysikasvuisilla kasveilla johtosolukon puu- ja nilasolut kehittyvät kantasoluja sisältävästä jällestä, jota edeltää varhaisen kasvuvaiheen esijälsi. Arabidopsis thalianan eli lituruohon keskuslieriössä puu- eli ksyleemisolut muodostavat akselin keskelle, nilasolut ovat molempien puolien reunoilla ja esijällen solut sijaitsevat näiden välissä. Korkea auksiinipitoisuus ksyleemissä ja korkea sytokiniinipitoisuus nilassa ja esijällessä tarvitaan johtosolukon normaaliin kehitykseen. Näiden hormonaalisten viestien ohjaama geeninsäätelyverkosto on ollut kuitenkin tuntematon.
Tutkin esijällen muodostumista lituruohon juuressa. Tutkimusryhmämme havaitsi paksuuskasvun aktivoituvan keskuslieriön reunoilla olevissa varhaisen vaiheen nilan siiviläsoluissa ja tietyissä niitä ympäröivissä soluissa. Määritimme että näiden solujen jakautumisesta on vastuussa kuuden liikkuvan DOF-transkriptiotekijän perhe, jolle me annoimme nimeksi PHLOEM EARLY DOF (PEAR). Nämä koostuvat PEAR1 ja PEAR2 proteiineista ja niiden neljästä homologista. PEAR proteiinit muodostavat vastakkaisen pitoisuusgradientin ennestään tunnettujen HZ-ZIP III transkriptiotekijöiden kanssa. HD-ZIP III proteiinit estävät periklinaalisia solunjakautumisia keskuslieriön keskiosassa osittain estämällä PEAR proteiinien liikkumista. Auksiini edistää HD-ZIP III:n ilmenemistä keskuslieriön keskellä sijaitsevissa ksyleemisoluissa, kun taas keskuslieriön ulkopuolelta liikkuva mikroRNA165/166 heikentää HD-ZIP III:n ilmenemistä sen reunoilla. PEAR ja HD-ZIP III muodostavat takaisinkytkentämekanismin: PEAR lisää HD-ZIP III:n ilmenemistä, kun taas HD-ZIP III estää PEAR geenien ilmenemistä ja PEAR proteiinin liikkumista. PEAR-HDZIP III säätelymoduuli tulkitsee hormonaalisia ja mikroRNA signaaleja minkä seurauksena esijälteen muodostuvat aktiivisesti jakautuva reuna-alue ja hiljainen keskialue. Osoitimme myös, että TARGET OF MONOPTEROS 5/LONESOME HIGHWAY transkriptiotekijäparin aktivoima sytokiniinin biosynteesi aktivoi DOF perheeseen kuuluvan DOF2.1 geenin ilmenemistä. DOF2.1 säätelee periklinaalisia solujakautumisia ksyleemin viereisissä reuna- alueen esijälsisoluissa. Osittain eri alueilla toimivat PEAR ja DOF2.1 proteiinit säätelevät kaikkia esijällen periklinaalisia solunjakautumisia.
Tutkimuksessamme havaitsimme, että PEAR2 aktivoi SUPPRESSOR OF MAX2 1-LIKE (SMXL) proteiinien toiseen alaluokkaan kuuluvan SMXL3 geenin ilmenemistä. SMXL3 toimii varhaisen vaiheen nilan ja esijällen soluissa ja on riittävä aktivoimaan periklinaalisia solunjakautumisia. SMXL proteiinien toisen alaluokan jäsenet SMXL3, 4 ja 5 säätelevät lisäksi nilan kehitystä. Ne toimivat jo kehityksen varhaisessa vaiheessa ja täten ovat tarpeellisia kaikkiin nilan kehitysvaiheisiin. Esijällen periklinaaliset solunjakautumiset ovat tärkeä osa nilan kehitystä. Tutkimuksemme osoittaa, että SMXL3, 4 ja 5 toimivat sekä solunjakautumisten että erilaistumisen säätelyssä osittain päällekkäisesti. PEAR proteiinien säätelykohteiden analyysi myös paljasti, että PEAR proteiinit toimivat sekä solunjakautumisten säätelyssä että ympäröivien solujen, kuten esijällen ja nilan viereisten perisyklisolujen, identiteetin määrittämisessä liikkumalla solusta toiseen.
Tuloksemme korostavat solujenvälisen viestinnän tärkeyttä: eri solukoista peräisin olevien liikkuvien kasvihormonien, säätelytekijöiden ja mikroRNA-molekyylien vuorovaikutus tarvitaan ohjaamaan kehitystä. Työmme luo tähän mennessä kattavimman ymmärtämyksen säätelyverkostoista, jotka ohjaavat esijällen kehitystä ja osoittaa varhaisen vaiheen nilan siiviläsolujen järjestävän paksuuskasvun aktivoinnin lituruohon juuren johtosolukon varhaisessa kehityksessä. Näitä löydöksiä voidaan mahdollisesti hyödyntää maa- ja metsätaloudessa lisäämään tuotantoa
