研究揭示水稻冷适应的表观遗传机制
物种环境适应性进化是生命科学领域的重大科学问题。早在达尔文提出自然选择学说之前，法国进化论先驱拉马克就提出著名的“获得性遗传”理论，认为生物体能够随外界环境变化主动做出改变，并将获得的有利性状稳定遗传给后代。然而，由于缺乏直接的分子遗传学证据，这一理论长期存在争议。
2025年5月22日，中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队在Cell杂志发表题为Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation的重要研究成果。该研究通过解析水稻北移种植过程中的耐寒适应性演化规律，首次在分子水平证实了环境诱导的表观遗传变异可介导适应性性状的跨代遗传，为拉马克获得性遗传提供了直接证据。
研究团队建立了创新的多代连续冷胁迫筛选体系，针对水稻对低温最敏感的减数分裂期进行冷胁迫处理。经过三代定向选择，成功获得耐寒性显著提升且遗传稳定的水稻株系。该获得性性状呈现显性遗传特征，且能在撤除低温胁迫后的常温条件下至少稳定遗传五代。
通过多组学分析，研究人员发现阿拉伯半乳糖蛋白基因ACT1启动子区的甲基化缺失是关键变异位点。该变异使ACT1表达不再受低温抑制。通过DNA甲基化编辑系统对ACT1启动子甲基化状态进行靶向修饰，成功实现了耐冷性的定向调控，确证了表观遗传变异的因果性。
分子机制研究表明，低温胁迫通过抑制DNA甲基转移酶MET1b的表达，导致ACT1启动子区甲基化维持受阻，形成低甲基化表观等位型。进一步研究发现，ACT1启动子的甲基化变异区域存在转录因子Dof1的结合位点，其结合对DNA甲基化敏感。Dof1为一个受冷诱导表达的激活型转录因子，敲除后显著降低孕穗期的耐冷能力。这些研究揭示了完整的冷适应调控通路：低温胁迫下调甲基转移酶MET1b的表达，引发ACT1启动子DNA甲基化丢失，促进Dof1的结合，从而激活ACT1表达，赋予水稻耐冷性。
自然变异分析发现，ACT1基因序列高度保守，但其DNA甲基化状态呈现多态性，且显著关联水稻的耐冷性。对来自中国三个主要稻区的131份农家种的DNA甲基化分析表明，低纬度热带和亚热带气候的华南和华中稻区88%以上的农家种含高甲基化ACT1，而高纬度冷凉气候的东北稻区则显著富集低甲基化ACT1。这种“南高北低”的DNA甲基化梯度分布，暗示ACT1表观变异为水稻北迁冷适应中关键驯化位点。
综上所述，这项研究系统阐明了冷胁迫诱导的DNA甲基化变异在水稻适应高纬度低温环境中的关键作用，揭示了表观遗传调控在物种快速环境适应中的分子机制。为拉马克获得性遗传理论提供了分子层面上的直接证据。正如审稿专家所评价的："该研究超越了传统达尔文进化理论框架，为理解适应性进化提供了新范式"。同时，该研究还创建了"逆境驯化-表观变异鉴定-精准编辑"的作物定向抗逆育种新思路，将为应对全球气候变化下的农业生产挑战提供创新性解决方案。
中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士和宋显伟研究员为该论文的通讯作者，宋显伟研究员、博士后唐善杰和中国科学院昆明植物研究所的刘晖副研究员为论文的共同第一作者。黑龙江省农业科学院耕作与栽培研究所的孟英研究员、姜树坤研究员和王立志副研究员，西北工业大学王宝博士也参与了该项研究。该研究得到了农业农村部重大专项、国家自然科学基金、中国科学院战略先导专项等项目的资助。
多代冷胁迫诱导ACT1启动子区DNA去甲基化赋予水稻高纬度耐冷适应性
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