Abstract Transgressive segregation is common in plant breeding populations, where a small minority of recombinants are outliers relative to parental phenotypes. While this phenomenon has been attributed to complementation and epistatic effects, the physiological, biochemical, and molecular bases have not been fully illuminated. By systems-level scrutiny of the IR29 x Pokkali recombinant inbred population of rice, we addressed the hypothesis that novel salt tolerance phenotypes are created by positive or negative coupling or uncoupling effects and novel regulatory networks. Hyperspectral profiling distinguished the transgressive individuals in terms of stress penalty to growth. Non-parental network signatures that led to either optimal or non-optimal integration of developmental with stress-related mechanisms were evident at the macro-physiological, biochemical, metabolic, and transcriptomic levels. The large positive net gain in super-tolerant progeny was due to ideal complementation of beneficial traits, while shedding antagonistic traits. Super-sensitivity was explained by the stacking of multiple antagonistic traits and loss of major beneficial traits. The mechanisms elucidated in this study are consistent with the Omnigenic Theory, emphasizing the synergy or lack thereof between core and peripheral components. This study supports a breeding paradigm based on genomic modeling to create the novel adaptive phenotypes for the crops of the 21 st century.

The ATP-driven bicarbonate transporter 1 (BCT1), a four-component complex in the cyanobacteria CO 2 concentrating mechanism, could enhance photosynthetic CO 2 assimilation in plant chloroplasts. However, directing its subunits (CmpA, CmpB, CmpC and CmpD) to three chloroplast sub-compartments is highly complex. Investigating BCT1 integration into Nicotiana benthamiana chloroplasts revealed promising targeting strategies using transit peptides from the intermembrane space protein Tic22 for correct CmpA targeting, while the transit peptide of the chloroplastic ABCD2 transporter effectively targeted CmpB to the inner envelope membrane. CmpC and CmpD were targeted to the stroma by RecA and recruited to the inner envelope membrane by CmpB. Despite successful targeting, expression of this complex in CO 2 -dependent Escherichia coli failed to demonstrate bicarbonate uptake. We then used rational design and directed evolution to generate new BCT1 forms that were constitutively active. Several mutants were recovered, including a CmpCD fusion. Selected mutants were further characterized and stably expressed in Arabidopsis thaliana , but the transformed plants did not have higher carbon assimilation rates or decreased CO 2 compensation points in mature leaves. While further analysis is required, this directed evolution and heterologous testing approach presents potential for iterative modification and assessment of CO 2 concentrating mechanism components to improve plant photosynthesis.

Toxic ions begin to accumulate in tissues of salt-stressed plants after the initial osmotic shock. In glycophytes, the ability to mobilize or sequester excess ions define tolerance mechanisms. Mobilization and sequestration of excess Na+ involves three transport mechanisms facilitated by the plasma membrane H+/Na+ antiporter (SOS1), vacuolar H+/Na+ antiporter (NHX1), and Na+/K+ transporter in vascular tissues (HKT1). While the cultivated Gossypium hirsutum (upland cotton) is significantly more tolerant to salinity relative to other crops, the critical factors contributing to the observed variation for tolerance potential across the germplasm has not been fully scrutinized. In this study, the spatio-temporal patterns of Na+ accumulation at different severities of salt stress were investigated across a minimal comparative panel representing the spectrum of genetic diversity across the improved cotton germplasm. The goal was to define the importance of integrative or network effects relative to the direct effects of Na+ homeostasis mechanisms mediated by GhHKT1, GhSOS1, and GhNHX1. Multi-dimensional physio-morphometric attributes were investigated in univariate and multivariate statistical contexts, as well as the relationship between variables using structural equation modeling. Results showed that mobilized or sequestered Na+ may contribute to the baseline salinity tolerance, but the observed variance in overall tolerance potential across a meaningful subset of the germplasm were more significantly associated to antioxidant capacity, maintenance of stomatal conductance, chlorophyll content, and divalent cations, and other physiological interactions occurring through complex networks.

Abstract Introgression of major-effect QTLs is an important component of rice breeding for yield-retention under drought. While largely effective, the maximum potentials of such QTLs have not been consistent across genetic backgrounds. We hypothesized that synergism or antagonism with additive-effect peripheral genes across the background could either enhance or undermine the QTL effects. To elucidate the molecular underpinnings of such interaction, we dissected qDTY12.1 synergy with numerous peripheral genes in context of network rewiring effects. By integrative transcriptome profiling and network modeling, we identified the DECUSSATE ( OsDEC ) within qDTY12.1 as the core of the synergy and shared by two sibling introgression lines in IR64 genetic background, i.e., LPB (low-yield penalty) and HPB (high-yield penalty). OsDEC is expressed in flag leaves and induced by progressive drought at booting stage in LPB but not in HPB. The unique OsDEC signature in LPB is coordinated with 35 upstream and downstream peripheral genes involved in floral development through the cytokinin signaling pathway, which are lacking in HPB. Results further support the differential network rewiring effects through genetic coupling-uncoupling between qDTY12.1 and other upstream and downstream peripheral genes across the distinct genetic backgrounds of LPB and HPB. We propose that the functional DEC -network in LPB defines a mechanism for early flowering as a means for avoiding the depletion of photosyntate needed for reproductive growth due to drought. Its impact on yield-retention is likely through the timely establishment of stronger source-sink dynamics that sustains a robust reproductive transition under drought. Author summary While the Green Revolution of the 1960’s significantly increased rice grain yields through the creation of high-yielding varieties for high input systems, current marginal climates pose a significant challenge for providing consistent yield. In rice growing regions of the world, drought affects the livelihood of small-scale and subsistence farmers by inflicting significant yield penalties to their production systems. Breeding of next-generation rice varieties with optimal balance of survivability and productivity traits will be key to providing consistent yields year to year. Within this paradigm, the use of large effect QTLs such as qDTY12.1 to improve yield retention under drought have been largely successful. By integrating the use of high resolution transcriptome datasets with a focused biological interrogation of agronomic results from this and previous studies, we uncovered a putative functional genetic network, anchored by the DECUSSATE gene ( OsDEC ) within qDTY12.1 , that effectively minimizes drought penalties to yield by driving cellular processes that culminate in timely flowering that maximizes the use of photosynthetic sources for efficient reproduductive transition and ultimately seed development. Our study further illuminates the qDTY12.1 function and speaks to the misconception that qDTY introgression alone is sufficient for providing consistently large positive effects to yield retention under reproductive stage drought.