物種環(huán)境適應性進化是生命科學領域的重大科學問題。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。

5月22日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所曹曉風院士團隊在Cell雜志發(fā)表題為Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation的重要研究成果，中國科學院昆明植物研究所劉暉副研究員作為重要合作者參與了該工作。該研究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提供了直接證據。

團隊建立了創(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，成功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，且能在撤除低溫脅迫后的常溫條件下至少穩(wěn)定遺傳五代。

通過多組學分析，研究人員發(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。通過DNA甲基化編輯系統(tǒng)對ACT1啟動子甲基化狀態(tài)進行靶向修飾，成功實現了耐冷性的定向調控，確證了表觀遺傳變異的因果性。

分子機制研究表明，低溫脅迫通過抑制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的結合，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(lián)水稻的耐冷性。對來自中國三個主要稻區(qū)的131份農家種的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，暗示ACT1表觀變異為水稻北遷冷適應中關鍵馴化位點。

綜上所述，這項研究系統(tǒng)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上的直接證據。正如審稿專家所評價的：“該研究超越了傳統(tǒng)達爾文進化理論框架，為理解適應性進化提供了新范式”。同時，該研究還創(chuàng)建了“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，將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。

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所曹曉風院士和宋顯偉研究員為該論文的通訊作者，宋顯偉研究員、博士后唐善杰和昆明植物所劉暉副研究員為論文的共同第一作者。黑龍江省農業(yè)科學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)大學王寶博士也參與了該項研究。該研究得到了農業(yè)農村部重大專項、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略先導專項、云南省基礎研究重大項目、云南省興滇英才青年人才專項等項目的資助。