The genus Oryza is a model system for the study of molecular evolution over time scales ranging from a few thousand to 15 million years. Using 13 reference genomes spanning the Oryza species tree, we show that despite few large-scale chromosomal rearrangements rapid species diversification is mirrored by lineage-specific emergence and turnover of many novel elements, including transposons, and potential new coding and noncoding genes. Our study resolves controversial areas of the Oryza phylogeny, showing a complex history of introgression among different chromosomes in the young ‘AA’ subclade containing the two domesticated species. This study highlights the prevalence of functionally coupled disease resistance genes and identifies many new haplotypes of potential use for future crop protection. Finally, this study marks a milestone in modern rice research with the release of a complete long-read assembly of IR 8 ‘Miracle Rice’, which relieved famine and drove the Green Revolution in Asia 50 years ago. Genome assemblies of 13 domesticated and wild rice relatives reveal salient features of genome evolution across the genus Oryza, especially rapid species diversification and turnover of transposons. This study also releases a complete long-read assembly of IR 8 ‘Miracle Rice’.

Rice was chosen as a model organism for genome sequencing because of its economic importance, small genome size, and syntenic relationship with other cereal species. We have constructed a bacterial artificial chromosome fingerprint-based physical map of the rice genome to facilitate the whole-genome sequencing of rice. Most of the rice genome ( approximately 90.6%) was anchored genetically by overgo hybridization, DNA gel blot hybridization, and in silico anchoring. Genome sequencing data also were integrated into the rice physical map. Comparison of the genetic and physical maps reveals that recombination is suppressed severely in centromeric regions as well as on the short arms of chromosomes 4 and 10. This integrated high-resolution physical map of the rice genome will greatly facilitate whole-genome sequencing by helping to identify a minimum tiling path of clones to sequence. Furthermore, the physical map will aid map-based cloning of agronomically important genes and will provide an important tool for the comparative analysis of grass genomes.

Abstract A nitrate reductase (NR)-null mutant of Arabidopsis was constructed that had a deletion of the major NR gene NIA2 and an insertion in the NIA1 NR gene. This mutant had no detectable NR activity and could not use nitrate as the sole nitrogen source. Starch mobilization was not induced by nitrate in this mutant but was induced by ammonium, indicating that nitrate was not the signal for this process. Microarray analysis of gene expression revealed that 595 genes responded to nitrate (5 mm nitrate for 2 h) in both wild-type and mutant plants. This group of genes was overrepresented most significantly in the functional categories of energy, metabolism, and glycolysis and gluconeogenesis. Because the nitrate response of these genes was NR independent, nitrate and not a downstream metabolite served as the signal. The microarray analysis also revealed that shoots can be as responsive to nitrate as roots, yet there was substantial organ specificity to the nitrate response.

Mingsheng Chen, Klaus Mayer, Steve Rounsley, Rod Wing and colleagues report the genome sequence of African rice (Oryza glaberrima), a different species than Asian rice. The authors resequenced 20 O. glaberrima accessions and 94 Oryza barthii accessions (the putative progenitor species of O. glaberrima), and their analyses support the hypothesis that O. glaberrima was domesticated in a single region along the upper Niger river. The cultivation of rice in Africa dates back more than 3,000 years. Interestingly, African rice is not of the same origin as Asian rice (Oryza sativa L.) but rather is an entirely different species (i.e., Oryza glaberrima Steud.). Here we present a high-quality assembly and annotation of the O. glaberrima genome and detailed analyses of its evolutionary history of domestication and selection. Population genomics analyses of 20 O. glaberrima and 94 Oryza barthii accessions support the hypothesis that O. glaberrima was domesticated in a single region along the Niger river as opposed to noncentric domestication events across Africa. We detected evidence for artificial selection at a genome-wide scale, as well as with a set of O. glaberrima genes orthologous to O. sativa genes that are known to be associated with domestication, thus indicating convergent yet independent selection of a common set of genes during two geographically and culturally distinct domestication processes.

Cultivated rice varieties are all diploid, and polyploidization of rice has long been desired because of its advantages in genome buffering, vigorousness, and environmental robustness. However, a workable route remains elusive. Here, we describe a practical strategy, namely de novo domestication of wild allotetraploid rice. By screening allotetraploid wild rice inventory, we identified one genotype of Oryza alta (CCDD), polyploid rice 1 (PPR1), and established two important resources for its de novo domestication: (1) an efficient tissue culture, transformation, and genome editing system and (2) a high-quality genome assembly discriminated into two subgenomes of 12 chromosomes apiece. With these resources, we show that six agronomically important traits could be rapidly improved by editing O. alta homologs of the genes controlling these traits in diploid rice. Our results demonstrate the possibility that de novo domesticated allotetraploid rice can be developed into a new staple cereal to strengthen world food security.

Maize (Zea mays L.) is one of the most important cereal crops and a model for the study of genetics, evolution, and domestication. To better understand maize genome organization and to build a framework for genome sequencing, we constructed a sequence-ready fingerprinted contig-based physical map that covers 93.5% of the genome, of which 86.1% is aligned to the genetic map. The fingerprinted contig map contains 25,908 genic markers that enabled us to align nearly 73% of the anchored maize genome to the rice genome. The distribution pattern of expressed sequence tags correlates to that of recombination. In collinear regions, 1 kb in rice corresponds to an average of 3.2 kb in maize, yet maize has a 6-fold genome size expansion. This can be explained by the fact that most rice regions correspond to two regions in maize as a result of its recent polyploid origin. Inversions account for the majority of chromosome structural variations during subsequent maize diploidization. We also find clear evidence of ancient genome duplication predating the divergence of the progenitors of maize and rice. Reconstructing the paleoethnobotany of the maize genome indicates that the progenitors of modern maize contained ten chromosomes.