2025年5月22日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所曹曉風(fēng)院士團(tuán)隊(duì)在Cell雜志發(fā)表題為Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation的研究論文。該研究以水稻北移種植過程中的耐冷適應(yīng)性為模型，揭示了低溫誘導(dǎo)DNA甲基化變異介導(dǎo)了耐冷適應(yīng)性狀獲得及穩(wěn)定遺傳的分子機(jī)制；首次為拉馬克獲得性遺傳理論提供了直接證據(jù)，并為作物抗逆改良開辟了新途徑。

物種在多變環(huán)境下的適應(yīng)性進(jìn)化一直是進(jìn)化生物學(xué)研究的核心科學(xué)問題。早在達(dá)爾文提出自然選擇學(xué)說(shuō)的半個(gè)多世紀(jì)之前，法國(guó)進(jìn)化論先驅(qū)拉馬克就提出了獲得性遺傳理論，認(rèn)為生物體能夠主動(dòng)隨外界環(huán)境變化做出適應(yīng)性改變，并將獲得的有利性狀穩(wěn)定遺傳給后代。然而，由于缺乏分子遺傳學(xué)證據(jù)，這一理論長(zhǎng)期備受爭(zhēng)議。

水稻（

Oryza sativa

為了模擬水稻北移的演化過程，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)多代連續(xù)冷脅迫篩選實(shí)驗(yàn)體系。通過在水稻對(duì)低溫最敏感的減數(shù)分裂期施加冷脅迫，經(jīng)過三代篩選成功獲得了耐冷性顯著增強(qiáng)的穩(wěn)定株系。該獲得性性狀呈現(xiàn)顯性遺傳特征，并能在常溫條件下穩(wěn)定遺傳至少五代。

圖1. 連續(xù)多代減數(shù)分裂期冷處理使墾稻8號(hào)獲得可遺傳的耐冷性

通過整合多組學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)鎖定阿拉伯半乳糖蛋白基因ACT1啟動(dòng)子區(qū)的甲基化缺失是關(guān)鍵突變位點(diǎn)。該突變使ACT1表達(dá)不再受低溫抑制。F2代群體分析顯示ACT1甲基化水平與耐冷性高度相關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用DNA甲基化編輯系統(tǒng)對(duì)ACT1啟動(dòng)子甲基化狀態(tài)進(jìn)行靶向修飾，成功實(shí)現(xiàn)了耐冷性的定向調(diào)控，確證了表觀遺傳突變的因果性。

深入機(jī)制研究表明，低溫脅迫通過下調(diào)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因MET1b的表達(dá)，導(dǎo)致ACT1啟動(dòng)子區(qū)甲基化維持受阻，形成低甲基化表觀等位型。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ACT1啟動(dòng)子的甲基化變異區(qū)域存在轉(zhuǎn)錄因子Dof1的結(jié)合位點(diǎn)，其結(jié)合對(duì)DNA甲基化敏感。Dof1為一個(gè)受冷誘導(dǎo)表達(dá)的激活型轉(zhuǎn)錄因子，敲除后顯著降低孕穗期的耐冷能力。這些發(fā)現(xiàn)揭示了完整的冷適應(yīng)調(diào)控通路：低溫脅迫下調(diào)甲基轉(zhuǎn)移酶MET1b的表達(dá)，引發(fā)ACT1啟動(dòng)子DNA甲基化丟失，促進(jìn)Dof1的結(jié)合，從而激活A(yù)CT1表達(dá)，賦予水稻耐冷性。

自然變異分析發(fā)現(xiàn)，ACT1基因序列高度保守，但其DNA甲基化狀態(tài)呈現(xiàn)多態(tài)性，且顯著關(guān)聯(lián)水稻的耐冷性。對(duì)來(lái)自中國(guó)三個(gè)主要稻區(qū)的131份農(nóng)家種的DNA甲基化分析表明，低緯度熱帶和亞熱帶氣候的華南和華中稻區(qū)88%以上的農(nóng)家種含高甲基化ACT1，而高緯度冷涼氣候的東北稻區(qū)則顯著富集低甲基化ACT1。這種“南高北低”的DNA甲基化梯度分布，強(qiáng)烈暗示ACT1表觀變異為水稻北遷冷適應(yīng)的關(guān)鍵馴化位點(diǎn)。

圖2. ACT1位點(diǎn)甲基化變異促進(jìn)水稻向高緯度地區(qū)擴(kuò)張

綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)了冷脅迫可誘發(fā)水稻產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳的DNA甲基化變異，促進(jìn)其適應(yīng)高緯度區(qū)域的低溫氣候，揭示了物種通過表觀遺傳變異快速適應(yīng)環(huán)境變化的分子基礎(chǔ)。為拉馬克獲得性遺傳理論提供了分子層面上的直接證據(jù)。正如一位審稿人對(duì)該工作的評(píng)述："超越了傳統(tǒng)達(dá)爾文進(jìn)化理論框架，為理解適應(yīng)性進(jìn)化提供了新范式"。同時(shí)，該研究闡明了表觀自然變異對(duì)作物耐逆適應(yīng)性的關(guān)鍵調(diào)控作用，創(chuàng)建了"逆境馴化-表型篩選-變異鑒定-精準(zhǔn)編輯"的作物定向抗逆育種新思路，將為應(yīng)對(duì)全球氣候變化下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新性解決方案。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所曹曉風(fēng)院士和宋顯偉研究員為該論文的通訊作者，宋顯偉研究員、博士后唐善杰和中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所的劉暉副研究員為論文的共同第一作者。黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作與栽培研究所的孟英研究員、姜樹坤研究員和王立志副研究員，西北工業(yè)大學(xué)王寶博士也參與了該項(xiàng)研究。該研究得到了農(nóng)業(yè)生物育種重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。

參考文獻(xiàn)：

Guo D, ……, Han B. A pangenome reference of wild and cultivated rice. Nature. 2025 Apr 16. doi: 10.1038/s41586-025-08883-6. Epub ahead of print. PMID: 40240605.

Ma Y, ……, Chong K. COLD1 confers chilling tolerance in rice. Cell. 2015 Mar 12;160(6):1209-21

Li J, ……, Li Z. Stepwise selection of natural variations at CTB2 and CTB4a improves cold adaptation during domestication of japonica rice. New Phytol. 2021 Aug;231(3):1056-1072

Shakiba E, ......, Eizenga GC.Genetic architecture of cold tolerance in rice (Oryza sativa) determined through high resolution genome-wide analysis. PLoS One. 2017 Mar 10;12(3):e0172133

Begcy K, Dresselhaus T. Epigenetic responses to abiotic stresses during reproductive development in cereals. Plant Reprod. 2018 Dec;31(4):343-355

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00506-9