Most Oryza sativa cultivars die within a week of complete submergence--a major constraint to rice production in south and southeast Asia that causes annual losses of over US 1 billion dollars and affects disproportionately the poorest farmers in the world. A few cultivars, such as the O. sativa ssp. indica cultivar FR13A, are highly tolerant and survive up to two weeks of complete submergence owing to a major quantitative trait locus designated Submergence 1 (Sub1) near the centromere of chromosome 9 (refs 3, 4, 5-6). Here we describe the identification of a cluster of three genes at the Sub1 locus, encoding putative ethylene response factors. Two of these genes, Sub1B and Sub1C, are invariably present in the Sub1 region of all rice accessions analysed. In contrast, the presence of Sub1A is variable. A survey identified two alleles within those indica varieties that possess this gene: a tolerance-specific allele named Sub1A-1 and an intolerance-specific allele named Sub1A-2. Overexpression of Sub1A-1 in a submergence-intolerant O. sativa ssp. japonica conferred enhanced tolerance to the plants, downregulation of Sub1C and upregulation of Alcohol dehydrogenase 1 (Adh1), indicating that Sub1A-1 is a primary determinant of submergence tolerance. The FR13A Sub1 locus was introgressed into a widely grown Asian rice cultivar using marker-assisted selection. The new variety maintains the high yield and other agronomic properties of the recurrent parent and is tolerant to submergence. Cultivation of this variety is expected to provide protection against damaging floods and increase crop security for farmers.

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.

Plant plasma membrane localized pattern recognition receptors (PRRs) detect extracellular pathogen-associated molecules. PRRs such as Arabidopsis EFR and rice XA21 are taxonomically restricted and are absent from most plant genomes. Here we show that rice plants expressing EFR or the chimeric receptor EFR::XA21, containing the EFR ectodomain and the XA21 intracellular domain, sense both Escherichia coli- and Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo)-derived elf18 peptides at sub-nanomolar concentrations. Treatment of EFR and EFR::XA21 rice leaf tissue with elf18 leads to MAP kinase activation, reactive oxygen production and defense gene expression. Although expression of EFR does not lead to robust enhanced resistance to fully virulent Xoo isolates, it does lead to quantitatively enhanced resistance to weakly virulent Xoo isolates. EFR interacts with OsSERK2 and the XA21 binding protein 24 (XB24), two key components of the rice XA21-mediated immune response. Rice-EFR plants silenced for OsSERK2, or overexpressing rice XB24 are compromised in elf18-induced reactive oxygen production and defense gene expression indicating that these proteins are also important for EFR-mediated signaling in transgenic rice. Taken together, our results demonstrate the potential feasibility of enhancing disease resistance in rice and possibly other monocotyledonous crop species by expression of dicotyledonous PRRs. Our results also suggest that Arabidopsis EFR utilizes at least a subset of the known endogenous rice XA21 signaling components.

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.