The world’s crop productivity is stagnating whereas population growth, rising affluence, and mandates for biofuels put increasing demands on agriculture. Meanwhile, demand for increasing cropland competes with equally crucial global sustainability and environmental protection needs. Addressing this looming agricultural crisis will be one of our greatest scientific challenges in the coming decades, and success will require substantial improvements at many levels. We assert that increasing the efficiency and productivity of photosynthesis in crop plants will be essential if this grand challenge is to be met. Here, we explore an array of prospective redesigns of plant systems at various scales, all aimed at increasing crop yields through improved photosynthetic efficiency and performance. Prospects range from straightforward alterations, already supported by preliminary evidence of feasibility, to substantial redesigns that are currently only conceptual, but that may be enabled by new developments in synthetic biology. Although some proposed redesigns are certain to face obstacles that will require alternate routes, the efforts should lead to new discoveries and technical advances with important impacts on the global problem of crop productivity and bioenergy production.

Abstract The effects of elevated [CO 2 ] on 25 variables describing soybean physiology, growth and yield are reviewed using meta‐analytic techniques. This is the first meta‐analysis to our knowledge performed on a single crop species and summarizes the effects of 111 studies. These primary studies include numerous soybean growth forms, various stress and experimental treatments, and a range of elevated [CO 2 ] levels (from 450 to 1250 p.p.m.), with a mean of 689 p.p.m. across all studies. Stimulation of soybean leaf CO 2 assimilation rate with growth at elevated [CO 2 ] was 39%, despite a 40% decrease in stomatal conductance and a 11% decrease in Rubisco activity. Increased leaf CO 2 uptake combined with an 18% stimulation in leaf area to provide a 59% increase in canopy photosynthetic rate. The increase in total dry weight was lower at 37%, and seed yield still lower at 24%. This shows that even in an agronomic species selected for maximum investment in seed, several plant level feedbacks prevent additional investment in reproduction, such that yield fails to reflect fully the increase in whole plant carbon uptake. Large soil containers (> 9 L) have been considered adequate for assessing plant responses to elevated [CO 2 ]. However, in open‐top chamber experiments, soybeans grown in large pots showed a significant threefold smaller stimulation in yield than soybeans grown in the ground. This suggests that conclusions about plant yield based on pot studies, even when using very large containers, are a poor reflection of performance in the absence of any physical restriction on root growth. This review supports a number of current paradigms of plant responses to elevated [CO 2 ]. Namely, stimulation of photosynthesis is greater in plants that fix N and have additional carbohydrate sinks in nodules. This supports the notion that photosynthetic capacity decreases when plants are N‐limited, but not when plants have adequate N and sink strength. The root : shoot ratio did not change with growth at elevated [CO 2 ], sustaining the charge that biomass allocation is unaffected by growth at elevated [CO 2 ] when plant size and ontogeny are considered.

Abstract Changes in cell state are often accompanied by altered metabolic demands, and homeostasis depends on cells adapting to their changing needs. One major cell state change is senescence, which is associated with dramatic changes in cell metabolism, including increases in lipid metabolism, but how cells accommodate such alterations is poorly understood. Here, we show that the transcription factor p53 enables recycling of the lipid headgroups required to meet the increased demand for membrane phospholipids during senescence. p53 activation increases supply of phosphoethanolamine (PEtn), an intermediate in the Kennedy pathway for de novo synthesis of phosphatidylethanolamine (PE), by transactivating genes involved in autophagy and lysosomal catabolism that enable membrane turnover. Disruption of PEtn conversion to PE is well-tolerated in the absence of p53 but results in dramatic organelle remodeling and perturbs growth and gene expression following p53 activation. Consistently, CRISPR-Cas9-based genetic screens reveal that p53-activated cells preferentially depend on genes involved in lipid metabolism. Together, these results reveal lipid headgroup recycling to be a homeostatic function of p53 that confers a cell-state specific metabolic vulnerability.