Summary Much of humanity relies on rice ( Oryza sativa ) as a food source, but cultivation is water intensive and the crop is vulnerable to drought and high temperatures. Under climate change, periods of reduced water availability and high temperature are expected to become more frequent, leading to detrimental effects on rice yields. We engineered the high‐yielding rice cultivar ‘ IR 64’ to produce fewer stomata by manipulating the level of a developmental signal. We overexpressed the rice epidermal patterning factor Os EPF 1 , creating plants with substantially reduced stomatal density and correspondingly low stomatal conductance. Low stomatal density rice lines were more able to conserve water, using c . 60% of the normal amount between weeks 4 and 5 post germination. When grown at elevated atmospheric CO 2 , rice plants with low stomatal density were able to maintain their stomatal conductance and survive drought and high temperature (40°C) for longer than control plants. Low stomatal density rice gave equivalent or even improved yields, despite a reduced rate of photosynthesis in some conditions. Rice plants with fewer stomata are drought tolerant and more conservative in their water use, and they should perform better in the future when climate change is expected to threaten food security.

Abstract Convergent trait evolution is a recurrent phenomenon in all domains of the tree of life. While some convergent traits are caused by simple sequence changes, many are associated with extensive changes to the sequence and regulation of large cohorts of genes. It is unknown how organisms traverse this expansive genotype space to assemble such complex convergent phenotypes. C 4 photosynthesis is a paradigm of large-scale phenotypic convergence. Conceptual and mathematical models propose that C 4 photosynthesis evolved from ancestral C 3 photosynthesis through sequential adaptive changes. These adaptive changes could have been rapidly assembled if modifications to the activity and abundance of enzymes of the C 4 cycle was neutral in C 3 plants. This neutrality would enable populations of C 3 plants to maintain genotypes with expression levels of C 4 enzymes analogous to those in C 4 species and thus enable rapid assembly of a functional C 4 cycle from naturally occurring genotypes given shared environmental selection. Here we show that there is substantial natural variation in expression of genes encoding C 4 cycle enzymes between natural accessions of the C 3 plant Arabidopsis thaliana . We further show through targeted transgenic experiments in the C 3 crop Oryza sativa , that high expression of the majority of C 4 cycle enzymes in rice is neutral with respect to growth, development, biomass and photosynthesis. Thus, substantial variation in the abundance and activity of C 4 cycle enzymes is permissible within the limits of operation of C 3 photosynthesis and the emergence of component parts of this complex convergent trait can be facilitated by neutral variation.

Abstract We generated antisense constructs targeting two of the five Rubisco small subunit genes ( OsRBCS2 and 4 ) which account for between 30-40% of the RBCS transcript abundance in leaf blades. The constructs were driven by a maize phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) promoter known to have enriched expression in mesophyll cells (MCs). In the resulting lines leaf Rubisco protein content was reduced by between 30-50% and CO 2 assimilation rate was limited under photorespiratory and non-photorespiratory conditions. A relationship between Rubisco protein content and CO 2 assimilation rate was found. This was associated with a significant reduction in dry biomass accumulation and grain yield of between 37 to 70%. In addition to serving as a resource for reducing Rubisco accumulation in a cell-preferential manner, these lines allow us to characterize gene function and isoform specific suppression on photosynthesis and growth. Our results suggest that the knockdown of multiple genes is required to completely reduce Rubisco accumulation in MCs.

An experiment was conducted in controlled conditions in three varieties of wheat under water stress, heat and heat +water stress treatments with the objective of studying Chlorophyll a fluorescence, chlorophyll fluorescence induction kinetics and the function of Photosystem II by plant phenotyping as affected by stress. We hypothesised that during stress, specific adaptive strategies are employed by plants, such as structural and functional changes in PS II by which they acquire new homeostasis which may be protective adaptations. Water stress stress treatment was imposed on Water stress and Heat +Water stress treatments at 43 DAS. Heat treatment was imposed on 48 DAS. Maximum quantum yield of primary photochemistry was measured with PAM 2500 and OJIP was measured with FluorPen FP 100 after the onset of stress at four observation times on two days viz., pre-dawn and afternoon during stress. In addition continuous monitoring of photosynthetic efficiency was done with Monitoring PAM. Heat +Water stress stress was more detrimental as compared to Heat or Water stress alone in terms of maximum quantum yield of photochemistry. This could have been due to higher decrease in connectivity between PSII and its antennae resulting in lower photosynthetic efficiency resulting in the impairment and disruption of the electron transport. K step was observed in heat stress and heat +Water stress stress which may be because of damage to Oxygen Evolving Complex indicating that low thermostability of the complex. The stress treatments had a reduction in the plastoquinone pool size as indicated by the reduced area above the OJIP curve. Our study indicated that the instrument PAM 2500 sensed both stresses separately and combined earlier than the other instruments, so in terms of sensitivity PAM 2500 was more effective than FluorPen FP 100 and MultispeQ. Rapid screening of stress was more effectively with FluorPen FP 100 and MultispeQ than by PAM 2500.

Abstract Introduction of a C 4 photosynthetic pathway into C 3 rice ( Oryza sativa ) requires installation of a biochemical pump that concentrates CO 2 at the site of carboxylation in modified bundle sheath cells. To investigate the feasibility of this, we generated a quadruple line that simultaneously expresses four of the core C 4 photosynthetic enzymes from the NADP-malic enzyme subtype, phospho enol pyruvate carboxylase ( Zm PEPC), NADP-malate dehydrogenase ( Zm NADP-MDH), NADP-malic enzyme ( Zm NADP-ME) and pyruvate phosphate dikinase ( Zm PPDK), in a cell-specific manner. This led to enhanced enzyme activity but was largely neutral in its effects on photosynthetic rate and growth. Measurements of the flux of 13 CO 2 through photosynthetic metabolism revealed a significant increase in the incorporation of 13 C into malate, consistent with increased fixation of 13 CO 2 via PEP carboxylase in lines expressing the maize PEPC enzyme. We also showed 13 C labelling of aspartate indicating additional 13 CO 2 fixation into oxaloacetate by PEPC and conversion to aspartate by the endogenous aspartate aminotransferase activity. However, there were no significant differences in labelling of 3-phosphoglycerate (3PGA) or phospho enol pyruvate (PEP) indicating limited carbon flux through C 4 enzymes into the Calvin-Benson cycle. Crossing the quadruple line with a line with reduced glycine decarboxylase H-protein ( Os GDCH) abundance led to a photosynthetic phenotype characteristic of the reduced Os GDCH line and higher labelling of malate, aspartate and citrate. While Kranz anatomy or other anatomical modifications have not yet been installed in these plants to enable a fully functional C 4 cycle, these results demonstrate for the first-time flux through the carboxylation phase of C 4 metabolism in transgenic rice containing the key metabolic steps in the C 4 pathway.