Here we analyse genetic variation, population structure and diversity among 3,010 diverse Asian cultivated rice (Oryza sativa L.) genomes from the 3,000 Rice Genomes Project. Our results are consistent with the five major groups previously recognized, but also suggest several unreported subpopulations that correlate with geographic location. We identified 29 million single nucleotide polymorphisms, 2.4 million small indels and over 90,000 structural variations that contribute to within- and between-population variation. Using pan-genome analyses, we identified more than 10,000 novel full-length protein-coding genes and a high number of presence–absence variations. The complex patterns of introgression observed in domestication genes are consistent with multiple independent rice domestication events. The public availability of data from the 3,000 Rice Genomes Project provides a resource for rice genomics research and breeding. Analyses of genetic variation and population structure based on over 3,000 cultivated rice (Oryza sativa) genomes reveal subpopulations that correlate with geographic location and patterns of introgression consistent with multiple rice domestication events.

MYB-type transcription factors (TFs) play essential roles in plant growth, development and respond to environmental stresses. Role of MYB-related TFs of rice in drought stress tolerance is not well documented. Here, we report the isolation and characterization of a novel MYB-related TF, OsMYB48-1, of rice. Expression of OsMYB48-1 was strongly induced by polyethylene glycol (PEG), abscisic acid (ABA), H2O2, and dehydration, while being slightly induced by high salinity and cold treatment. The OsMYB48-1 protein was localized in the nucleus with transactivation activity at the C terminus. Overexpression of OsMYB48-1 in rice significantly improved tolerance to simulated drought and salinity stresses caused by mannitol, PEG, and NaCl, respectively, and drought stress was caused by drying the soil. In contrast to wild type plants, the overexpression lines exhibited reduced rate of water loss, lower malondialdehyde (MDA) content and higher proline content under stress conditions. Moreover, overexpression plants were hypersensitive to ABA at both germination and post-germination stages and accumulated more endogenous ABA under drought stress conditions. Further studies demonstrated that overexpression of OsMYB48-1 could regulate the expression of some ABA biosynthesis genes (OsNCED4, OsNCED5), early signaling genes (OsPP2C68, OSRK1) and late responsive genes (RAB21, OsLEA3, RAB16C and RAB16D) under drought stress conditions. Collectively, these results suggested that OsMYB48-1 functions as a novel MYB-related TF which plays a positive role in drought and salinity tolerance by regulating stress-induced ABA synthesis.

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 Cadmium (Cd) accumulation in rice grain poses a serious threat to human health. While several transport systems have been reported, the complexity of rice Cd transport and accumulation indicates the necessity of identifying additional genes, especially those that are responsible for Cd accumulation divergence between indica and japonica rice subspecies. Here, we show that a gene, OsCd1 , belonging to the major facilitator superfamily is involved in root Cd uptake and contributes to grain accumulation in rice. Natural variation in OsCd1 with a missense mutation Val449Asp is responsible for the divergence of rice grain Cd accumulation between indica and japonica . Near-isogenic line tests confirm that the indica variety carrying the japonica allele OsCd1 V449 can reduce the grain Cd accumulation. Thus, the japonica allele OsCd1 V449 may be useful for reducing grain Cd accumulation of indica rice cultivars through breeding.

Drought is one of the major abiotic stresses that directly implicate plant growth and crop productivity. Although many genes in response to drought stress have been identified, genetic improvement to drought resistance especially in food crops is showing relatively slow progress worldwide. Here, we reported the isolation of abscisic acid, stress and ripening (ASR) genes from upland rice variety, IRAT109 (Oryza sativa L. ssp. japonica), and demonstrated that overexpression of OsASR5 enhanced osmotic tolerance in Escherichia coli and drought tolerance in Arabidopsis and rice by regulating leaf water status under drought stress conditions. Moreover, overexpression of OsASR5 in rice increased endogenous ABA level and showed hypersensitive to exogenous ABA treatment at both germination and postgermination stages. The production of H2 O2 , a second messenger for the induction of stomatal closure in response to ABA, was activated in overexpression plants under drought stress conditions, consequently, increased stomatal closure and decreased stomatal conductance. In contrast, the loss-of-function mutant, osasr5, showed sensitivity to drought stress with lower relative water content under drought stress conditions. Further studies demonstrated that OsASR5 functioned as chaperone-like protein and interacted with stress-related HSP40 and 2OG-Fe (II) oxygenase domain containing proteins in yeast and plants. Taken together, we suggest that OsASR5 plays multiple roles in response to drought stress by regulating ABA biosynthesis, promoting stomatal closure, as well as acting as chaperone-like protein that possibly prevents drought stress-related proteins from inactivation.

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.

Lodging reduces grain yield and quality in cereal crops. Lodging resistance is affected by the strength of the culm, which is influenced by the culm diameter, culm wall thickness, and cell wall composition. To explore the genetic architecture of culm diameter in rice (Oryza sativa), we conducted a genome-wide association study (GWAS). We identified STRONG CULM 2 (STRONG2), which encodes the mannan synthase CSLA5, and showed that plants that overexpressed this gene had increased culm diameter and improved lodging resistance. STRONG2 appears to increase the levels of cell wall components, such as mannose and cellulose, thereby enhancing sclerenchyma development in stems. SNP14931253 in the STRONG2 promoter contributes to variation in STRONG2 expression in natural germplasms and the transcription factor MYB61 directly activates STRONG2 expression. Furthermore, STRONG2 overexpressing plants produced significantly more grains per panicle and heavier grains than the wild-type plants. These results demonstrate that the MYB61-STRONG2 module positively regulates culm diameter and lodging resistance, information that could guide breeding efforts for improved yield in rice.