Upland rice is a distinct ecotype that grows in aerobic environments and tolerates drought stress. However, the genetic basis of its drought resistance is unclear. Here, using an integrative approach combining a genome-wide association study with analyses of introgression lines and transcriptomic profiles, we identify a gene, DROUGHT1 (DROT1), encoding a COBRA-like protein that confers drought resistance in rice. DROT1 is specifically expressed in vascular bundles and is directly repressed by ERF3 and activated by ERF71, both drought-responsive transcription factors. DROT1 improves drought resistance by adjusting cell wall structure by increasing cellulose content and maintaining cellulose crystallinity. A C-to-T single-nucleotide variation in the promoter increases DROT1 expression and drought resistance in upland rice. The potential elite haplotype of DROT1 in upland rice could originate in wild rice (O. rufipogon) and may be beneficial for breeding upland rice varieties.

Abstract When exposed to high light plants produce reactive oxygen species (ROS). In Arabidopsis thaliana local accumulation of ROS preferentially takes place in bundle sheath strands, but little is known about how this response takes place. Using rice and the ROS probes diaminobenzidine and 2’,7’-dichlorodihydrofluorescein diacetate, we found that after exposure to high light, ROS were produced more rapidly in bundle sheath strands than mesophyll cells. This response was not affected either by CO 2 supply or photorespiration. Consistent with these findings, deep sequencing of mRNA isolated from mesophyll or bundle sheath strands indicated balanced accumulation of transcripts encoding all major components of the photosynthetic apparatus. However, transcripts encoding several isoforms of the superoxide/H 2 O 2 -producing enzyme NADPH oxidase were more abundant in bundle sheath strands than mesophyll cells. ROS production in bundle sheath strands was reduced by blocking NADPH oxidase activity pharmacologically, but increased when the bundle sheath preferential RBOHA isoform of NADPH oxidase was over-expressed. NADPH oxidase mediated accumulation of ROS in the rice bundle sheath was detected in etiolated leaves lacking chlorophyll indicating that high light and NADPH oxidase-dependent ROS production is not dependent on photosynthesis.

Abstract Leaves comprise multiple cell types but our knowledge of the patterns of gene expression that underpin their functional specialization is fragmentary. Our understanding and ability to undertake rational redesign of these cells is therefore limited. We aimed to identify genes associated with the incompletely understood bundle sheath of C 3 plants, which represents a key target associated with engineering traits such as C 4 photosynthesis into rice. To better understand veins, bundle sheath and mesophyll cells of rice we used laser capture microdissection followed by deep sequencing. Gene expression of the mesophyll is conditioned to allow coenzyme metabolism and redox homeostasis as well as photosynthesis. In contrast, the bundle sheath is specialized in water transport, sulphur assimilation and jasmonic acid biosynthesis. Despite the small chloroplast compartment of bundle sheath cells, substantial photosynthesis gene expression was detected. These patterns of gene expression were not associated with presence/absence of particular transcription factors in each cell type, but rather gradients in expression across the leaf. Comparative analysis with C 3 Arabidopsis identified a small gene-set preferentially expressed in bundle sheath cells of both species. This included genes encoding transcription factors from fourteen orthogroups, and proteins allowing water transport, sulphate assimilation and jasmonic acid synthesis. The most parsimonious explanation for our findings is that bundle sheath cells from the last common ancestor of rice and Arabidopsis was specialized in this manner, and since the species diverged these patterns of gene expression have been maintained. Significance statement The role of bundle sheath cells in C 4 species have been studied intensively but this is not the case in leaves that use the ancestral C 3 pathway. Here, we show that gene expression in the bundle sheath of rice is specialized to allow sulphate and nitrate reduction, water transport and jasmonate synthesis, and comparative analysis with Arabidopsis indicates ancient roles for bundle sheath cells in water transport, sulphur and jasmonate synthesis.

Abstract Background Improving performance of rice under drought stress has potential to significant impact on rice productivity. Previously we reported that OsLG3 positively control rice grain length and yield. Results In this study, we found that OsLG3 was more strongly expressed in upland rice compared to lowland rice under drought stress condition. Candidate gene association analysis showed that the natural variation in OsLG3 was associated with tolerance to water deficit stress in germinating rice seeds. Transgenic rice with enhanced OsLG3 expression exhibited improved tolerance to drought and that is most likely due to enhanced ROS scavenging efficiency. Phylogenetic analysis and pedigree records indicated that the tolerant allele of OsLG3 has potential to improve drought tolerance of japonica rice. Conclusions Collectively, our work revealed that the natural variation of OsLG3 contributes to rice drought tolerance and the elite allele of OsLG3 is a promising genetic resource for the development of drought-tolerant and high-yield rice varieties.

Cold stress is one of the major abiotic stress factors affecting rice growth and development, leading to significant yield loss in the context of global climate change. Exploring natural variants that confer cold resistance and the underlying molecular mechanism responsible for this is the major strategy to breed cold tolerant rice varieties. Here, we show that the natural variations of a SIMILAR to RCD ONE (SRO) gene, OsSRO1c, confer cold tolerance in rice at both seedling and booting stages. OsSRO1c possesses intrinsic liquid-liquid phase separation ability in vivo and in vitro and recruits an AP2/ERF transcription factor and positive cold stress regulator, OsDREB2B, into its biomolecular condensates in the nucleus, resulting in elevated transcriptional activity of OsDREB2B. The OsSRO1c-OsDREB2B complex directly responds to low temperature through dynamic phase transitions and regulates key cold response genes, including COLD1. Furthermore, introgression of an elite haplotype of OsSRO1c into a cold susceptible indica rice significantly increases its cold resistance. Collectively, our work reveals a novel cold tolerance regulatory module in rice and provides promising genetic targets for molecular breeding of cold-tolerant rice varieties.