水稻是重要的糧食作物之一，水稻產量由每穗粒數、有效分蘗數、結實率和千粒重等因素所共同決定。其中，穗粒數對產量的貢獻最大，但常常與其他性狀（如分蘗數）呈現負相關。因此，挖掘水稻穗粒數的控制基因、揭示水稻穗粒數特異調控的分子機理及遺傳網絡，對于定向改良水稻穗粒數、培育高產水稻新品種具有重要意義。中國科學院遺傳與發育生物學研究所/山東農業大學王永紅教授團隊與中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊、林少揚研究員團隊、中國科學院分子植物卓越中心韓斌院士團隊、上海師范大學黃學輝教授團隊合作，發現了特異調控水稻穗粒數的新基因OsREM20及其調控水稻穗粒數的新機制。
反向重復（Inverted Repeat，IR）序列是一類廣泛存在于動植物基因組中的DNA序列，對基因組的結構和基因表達都有重要影響。然而，多數研究是利用生物信息學對IR序列進行預測和分析，而對IR調控基因表達的分子機理還缺乏深入研究。與IR序列不同，順式調控元件在基因表達和作物性狀改良方面的作用已有大量研究。但關于順式調控元件和IR序列協同調控基因表達的研究則未見報道。該研究發現，OsREM20啟動子區域存在攜帶CArG元件的IR序列，并證實該IR序列可限制OsMADS34對CArG元件的直接結合和調控作用。進一步的單倍型分析和群體遺傳學研究發現，IR序列在不同水稻品種中存在多處遺傳變異，可將OsREM20分為兩種主要的單倍型，即含有完整IR序列的pOsREM20IR和非完整IR序列的pOsREM20ΔIR。在不同水稻品種中，IR序列的這種遺傳變異直接影響OsMADS34對CArG元件的結合能力，從而導致OsREM20的表達量變化及穗粒數差異。研究表明，pOsREM20IR和pOsREM20ΔIR來源于不同的野生稻種質，在水稻馴化過程中分別遺傳到了粳稻和秈稻品種中，從而決定了秈、粳稻的穗粒數表型差異（圖1）。田間試驗表明，通過基因編輯或傳統育種方法將粳稻品種中pOsREM20IR單倍型改良為pOsREM20ΔIR單倍型，可以顯著提高穗粒數，具有顯著的增產效應。
綜上，該研究為水稻穗粒數改良、進而提高產量提供了有利用價值的基因資源。考慮到絕大多數粳稻品種攜帶pOsREM20IR單倍型，利用現代基因編輯技術直接編輯該IR序列可應用于栽培粳稻品種的定向改良，有望快速實現粳稻品種產量的新突破。同時，該研究也首次揭示了啟動子區域的順式調控元件與反向重復序列協同調控基因表達的新機制，為操縱基因表達進而改良作物農藝性狀提供了一種新策略。
相關研究結果于2021年3月16日在線發表在Molecular Plant。王永紅團隊已畢業的武小偉博士和助理研究員梁彥博士為該論文的共同第一作者，王永紅教授為該論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性科技先導專項（B類）以及山東省頂尖人才“一事一議”項目的資助。
OsREM20 調控水稻穗粒數及參與秈、粳稻穗粒數表型分化的工作模型
