陕西
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的研究论文。该研究以水稻北移种植过程中的耐冷适应性为模型，揭示了低温诱导DNA甲基化变异介导了耐冷适应性状获得及稳定遗传的分子机制；首次为拉马克获得性遗传理论提供了直接证据，并为作物抗逆改良开辟了新途径。
物种在多变环境下的适应性进化一直是进化生物学研究的核心科学问题。早在达尔文提出自然选择学说的半个多世纪之前，法国进化论先驱拉马克就提出了获得性遗传理论，认为生物体能够主动随外界环境变化做出适应性改变，并将获得的有利性状稳定遗传给后代。然而，由于缺乏分子遗传学证据，这一理论长期备受争议。
水稻（
Oryza sativaL.）作为起源于热带和亚热带地区的作物 （Guo, et al. 2025），在其向高纬度地区扩展种植的过程中，面临着低温适应性这一重要生物学挑战,在低温条件下会出现结实率大幅下降等严重问题 （Shakiba et al., 2017）。传统观点认为，水稻对低温环境的适应是通过长期的人工驯化过程逐步实现的，这一过程主要涉及关键功能基因蛋白质序列的渐进性改变 （Ma, et al., 2015; Li, et al., 2021）。尽管表观遗传调控等分子机制也参与水稻的短期低温响应（Begcy et al., 2018），但尚无证据表明其直接参与了水稻的长期低温环境适应。
为了模拟水稻北移的演化过程，研究团队创新性设计多代连续冷胁迫筛选实验体系。通过在水稻对低温最敏感的减数分裂期施加冷胁迫，经过三代筛选成功获得了耐冷性显著增强的稳定株系。该获得性性状呈现显性遗传特征，并能在常温条件下稳定遗传至少五代。
图1. 连续多代减数分裂期冷处理使垦稻8号获得可遗传的耐冷性
通过整合多组学分析，研究团队锁定阿拉伯半乳糖蛋白基因ACT1启动子区的甲基化缺失是关键突变位点。该突变使ACT1表达不再受低温抑制。F2代群体分析显示ACT1甲基化水平与耐冷性高度相关。研究团队进一步利用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，确证了表观遗传突变的因果性。
深入机制研究表明，低温胁迫通过下调DNA甲基转移酶基因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。这些发现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，强烈暗示ACT1表观变异为水稻北迁冷适应的关键驯化位点。
图2. ACT1位点甲基化变异促进水稻向高纬度地区扩张
综上所述，该研究发现了冷胁迫可诱发水稻产生稳定遗传的DNA甲基化变异，促进其适应高纬度区域的低温气候，揭示了物种通过表观遗传变异快速适应环境变化的分子基础。为拉马克获得性遗传理论提供了分子层面上的直接证据。正如一位审稿人对该工作的评述："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，该研究阐明了表观自然变异对作物耐逆适应性的关键调控作用，创建了"逆境驯化-表型筛选-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了创新性解决方案。
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。该研究得到了农业生物育种重大专项、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。
参考文献：
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
论文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00506-9
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