物種環(huán)境適應性進化是生命科學領域的重要科學問題。早在達爾文提出自然選擇學說之前，法國進化論先驅拉馬克就提出著名的“獲得性遺傳”理論，認為生物體能夠隨外界環(huán)境變化主動做出改變，并將獲得的有利性狀穩(wěn)定遺傳給后代。然而，由于缺乏直接的分子遺傳學證據，這一理論長期存在爭議。

 

　　中國科學院院士、遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員曹曉風團隊通過解析水稻北移種植過程中的耐寒適應性演化規(guī)律，首次在分子水平證實了環(huán)境誘導的表觀遺傳變異可介導適應性性狀的跨代遺傳，為拉馬克“獲得性遺傳”理論提供了直接證據。

 

　　該研究建立了創(chuàng)新的多代連續(xù)冷脅迫篩選體系，針對水稻對低溫最敏感的減數分裂期進行冷脅迫處理。經過三代定向選擇，研究獲得耐寒性顯著提升且遺傳穩(wěn)定的水稻株系。該獲得性性狀呈現顯性遺傳特征，能夠在撤除低溫脅迫后的常溫條件下至少穩(wěn)定遺傳五代。

 

　　多組學分析發(fā)現，阿拉伯半乳糖蛋白基因ACT1啟動子區(qū)的甲基化缺失是關鍵變異位點。該變異使ACT1表達不再受低溫抑制。研究通過DNA甲基化編輯系統對ACT1啟動子甲基化狀態(tài)進行靶向修飾，實現了耐冷性的定向調控，確證了表觀遺傳變異的因果性。

 

　　分子機制研究顯示，低溫脅迫抑制DNA甲基轉移酶MET1b的表達，導致ACT1啟動子區(qū)甲基化維持受阻，形成低甲基化表觀等位型。進一步，研究發(fā)現，ACT1啟動子的甲基化變異區(qū)域存在轉錄因子Dof1的結合位點，其結合對DNA甲基化敏感。Dof1為一個受冷誘導表達的激活型轉錄因子，敲除后顯著降低孕穗期的耐冷能力。這些研究揭示了完整的冷適應調控通路：低溫脅迫下調甲基轉移酶MET1b的表達引發(fā)ACT1啟動子DNA甲基化丟失，促進Dof1結合，從而激活ACT1表達，賦予水稻耐冷性。

 

　　自然變異分析發(fā)現，ACT1基因序列高度保守，但其DNA甲基化狀態(tài)呈現多態(tài)性，且顯著關聯水稻的耐冷性。對我國3個主要稻區(qū)的131份農家種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，提示ACT1表觀變異為水稻北遷冷適應中關鍵馴化位點。

 

　　上述研究闡明了冷脅迫誘導的DNA甲基化變異在水稻適應高緯度低溫環(huán)境中的關鍵作用，揭示了表觀遺傳調控在物種快速環(huán)境適應中的分子機制，為拉馬克“獲得性遺傳”理論提供了分子層面的直接證據。同時，該研究提出了“逆境馴化-表觀變異鑒定-精準編輯”的作物定向抗逆育種新思路，有望為應對全球氣候變化下的農業(yè)生產挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新性解決方案。

 

　　5月22日，相關研究成果發(fā)表在《細胞》（Cell）上。研究工作得到農業(yè)農村部重大專項、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。