Enhancing global food security by increasing the productivity of green revolution varieties of cereals risks increasing the collateral environmental damage produced by inorganic nitrogen fertilizers. Improvements in the efficiency of nitrogen use of crops are therefore essential; however, they require an in-depth understanding of the co-regulatory mechanisms that integrate growth, nitrogen assimilation and carbon fixation. Here we show that the balanced opposing activities and physical interactions of the rice GROWTH-REGULATING FACTOR 4 (GRF4) transcription factor and the growth inhibitor DELLA confer homeostatic co-regulation of growth and the metabolism of carbon and nitrogen. GRF4 promotes and integrates nitrogen assimilation, carbon fixation and growth, whereas DELLA inhibits these processes. As a consequence, the accumulation of DELLA that is characteristic of green revolution varieties confers not only yield-enhancing dwarfism, but also reduces the efficiency of nitrogen use. However, the nitrogen-use efficiency of green revolution varieties and grain yield are increased by tipping the GRF4–DELLA balance towards increased GRF4 abundance. Modulation of plant growth and metabolic co-regulation thus enables novel breeding strategies for future sustainable food security and a new green revolution. The balance of DELLA and GRF4 proteins in plants ensures the co-regulation of growth with metabolism and tipping this balance towards GRF4 leads to higher efficiency of nitrogen use.

Because environmentally degrading inorganic fertilizer use underlies current worldwide cereal yields, future agricultural sustainability demands enhanced nitrogen use efficiency. We found that genome-wide promotion of histone H3 lysine 27 trimethylation (H3K27me3) enables nitrogen-induced stimulation of rice tillering: APETALA2-domain transcription factor NGR5 (NITROGEN-MEDIATED TILLER GROWTH RESPONSE 5) facilitates nitrogen-dependent recruitment of polycomb repressive complex 2 to repress branching-inhibitory genes via H3K27me3 modification. NGR5 is a target of gibberellin receptor GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 (GID1)-promoted proteasomal destruction. DELLA proteins (characterized by the presence of a conserved aspartate-glutamate-leucine-leucine-alanine motif) competitively inhibit the GID1-NGR5 interaction and explain increased tillering of green revolution varieties. Increased NGR5 activity consequently uncouples tillering from nitrogen regulation, boosting rice yield at low nitrogen fertilization levels. NGR5 thus enables enhanced nitrogen use efficiency for improved future agricultural sustainability and food security.

Abstract Low temperature is a major factor limiting rice productivity and geographical distribution. Improved cold tolerance and expanded cultivation to high-altitude or high-latitude regions would help meet growing rice demand. Here we explored a QTL for cold tolerance and cloned the gene, CTB4a (cold tolerance at booting stage), encoding a conserved leucine-rich repeat receptor-like kinase. We show that different CTB4a alleles confer distinct levels of cold tolerance and selection for variation in the CTB4a promoter region has occurred on the basis of environmental temperature. The newly generated cold-tolerant haplotype Tej -Hap-KMXBG was retained by artificial selection during temperate japonica evolution in cold habitats for low-temperature acclimation. Moreover, CTB4a interacts with AtpB, a beta subunit of ATP synthase. Upregulation of CTB4a correlates with increased ATP synthase activity, ATP content, enhanced seed setting and improved yield under cold stress conditions. These findings suggest strategies to improve cold tolerance in crop plants.

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.

We demonstrate a hybrid integrated optical frequency comb amplifier composed of a silicon carbide microcomb and a lithium niobate waveguide amplifier, which generates a 10-dB on-chip gain for the C+L band microcombs under 1480-nm laser pumping and an 8-dB gain under 980-nm laser pumping. It will solve the problem of low output power of microcombs and can be applied in various scenarios such as optical communication, lidar, optical computing, astronomical detection, atomic clocks, and more.