Rice feeds half the world's population, and rice blast is often a destructive disease that results in significant crop loss. Non-race-specific resistance has been more effective in controlling crop diseases than race-specific resistance because of its broad spectrum and durability. Through a genome-wide association study, we report the identification of a natural allele of a C2H2-type transcription factor in rice that confers non-race-specific resistance to blast. A survey of 3,000 sequenced rice genomes reveals that this allele exists in 10% of rice, suggesting that this favorable trait has been selected through breeding. This allele causes a single nucleotide change in the promoter of the bsr-d1 gene, which results in reduced expression of the gene through the binding of the repressive MYB transcription factor and, consequently, an inhibition of H2O2 degradation and enhanced disease resistance. Our discovery highlights this novel allele as a strategy for breeding durable resistance in rice.

Arabidopsis NPR1/NIM1 is a key regulator of systemic acquired resistance (SAR), which confers lasting broad-spectrum resistance. Previous reports indicate that rice has a disease-resistance pathway similar to the Arabidopsis SAR pathway. Here we report the isolation and characterization of a rice NPR1 homologue (NH1). Transgenic rice plants overexpressing NH1 (NH1ox) acquire high levels of resistance to Xanthomonas oryzae pv. oryzae. The resistance phenotype is heritable and correlates with the presence of the transgene and reduced bacterial growth. Northern analysis shows that NH1ox rice spontaneously activates defense genes, contrasting with NPR1-overexpressing Arabidopsis, where defense genes are not activated until induction. Wild-type NH1, but not a point mutant corresponding to npr1-1, interacts strongly with the rice transcription factor rTGA2.2 in yeast two-hybrid. Greenhouse-grown NH1ox plants develop lesion-mimic spots on leaves at preflowering stage although no other developmental effects are observed. However, when grown in growth chambers (GCs) under low light, NH1ox plants are dwarfed, indicating elevated sensitivity to light. The GC-grown NH1ox plants show much higher salicylic acid (SA) levels than the wild type, whereas greenhouse-grown NH1ox plants contain lower SA. These results indicate that NH1 may be involved in the regulation of SA in response to environmental changes.

Abstract Background Transient assays using protoplasts are ideal for processing large quantities of genetic data coming out of hi-throughput assays. Previously, protoplasts have routinely been prepared from dicot tissue or cell suspension cultures and yet a good system for rice protoplast isolation and manipulation is lacking. Results We have established a rice seedling protoplast system designed for the rapid characterization of large numbers of genes. We report optimized methods for protoplast isolation from 7–14 day old etiolated rice seedlings. We show that the reporter genes luciferase GL2 and GUS are maximally expressed approximately 20 h after polyethylene glycol (PEG)-mediated transformation into protoplasts. In addition we found that transformation efficiency varied significantly with plasmid size. Five micrograms of a 4.5 kb plasmid resulted in 60–70% transformation efficiency. In contrast, using 50 μg of a 12 kb plasmid we obtained a maximum of 25–30% efficiency. We also show that short interfering RNAs (siRNAs) can be used to silence exogenous genes quickly and efficiently. An siRNA targeting luciferase resulted in a significant level of silencing after only 3 hours and up to an 83% decrease in expression. We have also isolated protoplasts from cells prepared from fully green tissue. These green tissue-derived protoplasts can be transformed to express high levels of luciferase activity and should be useful for assaying light sensitive cellular processes. Conclusion We report a system for isolation, transformation and gene silencing of etiolated rice leaf and stem-derived protoplasts. Additionally, we have extended the technology to protoplasts isolated from fully green tissue. The protoplast system will bridge the gap between hi-throughput assays and functional biology as it can be used to quickly study large number of genes for which the function is unknown.

Plant immunity often penalizes growth and yield. The transcription factor Ideal Plant Architecture 1 (IPA1) reduces unproductive tillers and increases grains per panicle, which results in improved rice yield. Here we report that higher IPA1 levels enhance immunity. Mechanistically, phosphorylation of IPA1 at amino acid Ser163 within its DNA binding domain occurs in response to infection by the fungus Magnaporthe oryzae and alters the DNA binding specificity of IPA1. Phosphorylated IPA1 binds to the promoter of the pathogen defense gene WRKY45 and activates its expression, leading to enhanced disease resistance. IPA1 returns to a nonphosphorylated state within 48 hours after infection, resuming support of the growth needed for high yield. Thus, IPA1 promotes both yield and disease resistance by sustaining a balance between growth and immunity.

Here, we report the de novo genome sequencing and analysis of Oryza sativa ssp. japonica variety KitaakeX, a Kitaake plant carrying the rice XA21 immune receptor. Our KitaakeX sequence assembly contains 377.6 Mb, consisting of 33 scaffolds (476 contigs) with a contig N50 of 1.4 Mb. Complementing the assembly are detailed gene annotations of 35,594 protein coding genes. We identified 331,335 genomic variations between KitaakeX and Nipponbare (ssp. japonica), and 2,785,991 variations between KitaakeX and Zhenshan97 (ssp. indica). We also compared Kitaake resequencing reads to the KitaakeX assembly and identified 219 small variations. The high-quality genome of the model rice plant KitaakeX will accelerate rice functional genomics.

The availability of a whole-genome sequenced mutant population and the cataloging of mutations of each line at a single-nucleotide resolution facilitates functional genomic analysis. To this end, we generated and sequenced a fast-neutron-induced mutant population in the model rice cultivar Kitaake (Oryza sativa L. ssp. japonica), which completes its life cycle in 9 weeks. We sequenced 1,504 mutant lines at 45-fold coverage and identified 91,513 mutations affecting 32,307 genes, 58% of all rice genes. We detected an average of 61 mutations per line. Mutation types include single base substitutions, deletions, insertions, inversions, translocations, and tandem duplications. We observed a high proportion of loss-of-function mutations. Using this mutant population, we identified an inversion affecting a single gene as the causative mutation for the short-grain phenotype in one mutant line with a small segregating population. This result reveals the usefulness of the resource for efficient identification of genes conferring specific phenotypes. To facilitate public access to this genetic resource, we established an open access database called KitBase that provides access to sequence data and seed stocks, enabling rapid functional genomic studies of rice.

Over-expression of rice NH1 (NH1ox), the ortholog of Arabidopsis NPR1, confers immunity to bacterial and fungal pathogens and induces the appearance of necrotic lesions due to activation of defense genes at the pre-flowering stage. This lesion-mimic phenotype can be enhanced by the application of benzothiadiazole (BTH). To identify genes regulating these responses, we screened a fast neutron-irradiated NH1ox rice population. We identified one mutant, called snl1 (suppressor of NH1-mediated lesion-mimic 1), which is impaired both in BTH-induced necrotic lesion formation and in the immune response. Using a comparative genome hybridization approach employing rice whole genome tiling array, we identified 11 genes associated with the snl1 phenotype. Transgenic analysis revealed that RNA interference of two of the genes, encoding previously uncharacterized cysteine-rich receptor-like kinases (CRK6 and CRK10), re-created the snl1 phenotype. Elevated expression of CRK10 using an inducible expression system resulted in enhanced immunity. Quantitative PCR revealed that BTH treatment and elevated levels of rice NH1 and its paralog NH3 induced expression of CRK10 and CRK6 RNA. These results indicate that CRK6 and CRK10 are required for the BTH-activated immune response mediated by NH1.

The rice XA21 immune receptor kinase and the structurally related XA3 receptor, confer immunity to Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo), the causal agent of bacterial leaf blight. Here we report the isolation of OsSERK2 (rice somatic embryogenesis receptor kinase 2) and demonstrate that OsSERK2 positively regulates immunity mediated by XA21 and XA3 as well as the rice immune receptor FLS2 (OsFLS2). Rice plants silenced for OsSerk2 display altered morphology and reduced sensitivity to the hormone brassinolide. OsSERK2 interacts with the intracellular domains of each immune receptor in the yeast-two-hybrid system in a kinase activity dependent manner. OsSERK2 undergoes bidirectional trans-phosphorylation with XA21 in vitro and forms a constitutive complex with XA21 in vivo. Taken together, these results demonstrate an essential role for OsSERK2 in the function of three rice immune receptors and suggest that direct interaction with the rice immune receptors is critical for their function.