Distinct auxin signalling hubs modulate secondary growth and shape root architectures

Abstract

Plant root morphogenesis, including primary patterning, secondary development and formation of lateral roots and root hairs, determines root system architecture, and hence the overall plant growth and performance. The root systems influence the efficiency of water uptake and acquisition of nutrients, and thereby plant adaptations to local environments. Therefore, decoding the regulation of root morphogenesis is of vital ecological and agronomic importance. Pericycle cells are deeply embedded in a distinctive layer of root, surrounding the procambium (i.e. primary xylem and phloem) and are crucial for the initiation of some key root tissues/structures. Particularly, lateral roots and phellogen (cork cambium) are initiated and differentiated from pericycle cells, producing root branching systems and a protective barrier of plant organ/tissue called periderm. Furthermore, secondary meristems indeed partially originate from pericycle cells that give rise to xylem and phloem, and ultimately contribute to the formation of vascular cambium. Root morphogenesis is largely determined by the balance of stem cell proliferation and differentiation, which are largely regulated by phytohormones. Specifically, auxin-mediated signalling networks are commonly known to buffer the proliferation and differentiation of stem cells in many developmental contexts, including lateral roots development and vascular cambium establishment. Intriguingly, auxin is found to be enriched in pericycle cells. However, it remains unclear whether and how auxin and its downstream regulators coordinate and control the cell fate decisions of pericycle cells to the formation of distinct root organs/tissues, i.e. vascular cambium and phellogen, thereby promoting secondary growth. Here, using the Arabidopsis root as a model, I showed that auxin is accumulated in phellogen and plays an essential role in phellogen establishment and maintenance. Based on my genetic and gene expression data, I demonstrated distinct IAAs-ARFs module and downstream targets control lateral roots versus vascular cambium and phellogen. Moreover, the initiation of the vascular cambium precedes, and is prerequisite to phellogen establishment. Interestingly, after the establishment of vascular cambium and phellogen, I found altering auxin signalling specifically in the phellogen affects the activity of the vascular cambium, hinting at a compensation mechanism balancing 2 secondary growth output. I further showed that several auxin-mediated downstream signalling regulators, including KNAT1/BREVIPEDICELLUS (BP), WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 4 (WOX4), ERECTA (ER), and AINTEGUMENTA (ANT), accumulates in the vascular cambium and the phellogen. I found that ER may act as the upstream regulator of BP, WOX4, and ANT, and enlarges the girth of roots. Tissue specific overexpression of BP and WOX4 in the phellogen and vascular cambium largely increased the periderm layers and the girth of the roots. Furthermore, ER-ANT module promotes vascular cambium proliferation and directs its differentiation, which influence phloem regulation and vascular cambium division, and largely increase the quantity of phloem and vascular cambium cell number, whereas ER-ANT module represses xylem cell formation and decreases xylem area. To sum up, my studies here collectively demonstrate that the specificity of pericycle stem cell fate is achieved by distinct auxin induced modules; and the results provide molecular insights into how ER-ANT module modifies vascular cambium proliferation and differentiation.

Die Morphogenese der Pflanzenwurzel beinhaltet das primär- und sekundäre Wachstum sowohl der Lateral- als auch der Haarwurzeln und bestimmt damit maßgeblich die Architektur des Wurzelsystems und des Pflanzenwachstums bzw. die Gesundheit der Pflanze. Das Wurzelsystem ist außerdem entscheidend für die Wasser- und Nährstoffaufnahme und außerdem für die Anpassung der Pflanze an den jeweiligen Standort. Das Verständnis der Wurzelmorphogenese ist damit von großer ökologischer und ökonomischer Bedeutung. Perizykelzellen sitzen eingebettet in einer bestimmten Schicht der Wurzel und umschließen das Prokambium (d.h. primäres Xylem und Phloem) und sind wesentlich für das Aktivieren von bestimmten Schlüsselstrukturen verantwortlich. Genauer, laterale Wurzeln und das Phellogen (Korkkambium) werden von Perizykelzellen dazu angeregt ein System aus Seitentrieben und einer schützenden Barriere zu bilden und auszudifferenzieren. Dieses System wird auch Peridem genannt. Darüber hinaus entsteht das sekundäre Meristem teilweise aus Perizyklezellen, die die Formation von Xylem und Phloem hervorrufen und so zur Ausbildung des vaskulären Kambiums beitragen. Die Wurzelmorphogenese wird zum großen Teil von dem Gleichgewicht der Vermehrung und Ausdifferenzierung von Stammzellen bestimmt, was hauptsächlich von Phytohormonen reguliert wird. Besonders Auxin vermittelte Signalwege sind gemeinhin dafür bekannt, die Vermehrung und Ausdifferenzierung von Stammzellen in vielen Entwicklungszusammenhängen, insbesondere auch von der lateralen Wurzelbildung und des vaskulären Kambiums zu steuern. Interessanterweise wird gefunden, dass Auxin in perizyklischen Zellen angereichert ist. Allerdings, wie genau Perizykelzellen mittels von Auxin kontrollierten Regulatoren die bestimmte Ausbildung von Pflanzenorganen steuert ist immer noch unklar und es ist weiterhin unbekannt wie die zwei lateralen Meristeme (vaskuläres Kambium und Phellogen) koordiniert und zum sekundären Wachstum angeregt werden. In der vorliegenden Arbeit mit der Wurzel von Arabidopsis als Modell konnte ich zeigen, dass Auxin im Phellogen angereichert wird und somit eine wichtige Rolle in der Ausbildung und dem Erhalt des Phellogens spielt. Basierend auf unseren genetischen Daten konnte ich zeigen, dass bestimmte IAAs-ARF Module und nachgeschaltete Objekte die Ausbildung von entweder lateralen Wurzeln oder Kambium und Phellogen steuern. Zudem, die Initiierung des vaskulären Kambiums ist