中新網北京5月23日電 (記者 孫自法)早在達爾文提出自然選擇學說之前，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境變化主動做出改變，并將獲得的有利性狀穩定遺傳給后代，但由于缺乏直接的分子遺傳學證據，這一理論長期存在爭議。
針對物種環境適應性進化這一生命科學領域的重大科學問題，中國科學院遺傳與發育生物學研究所(遺傳發育所)曹曉風院士團隊與合作伙伴最新完成的水稻冷適應調控機制研究，為該爭議畫上了句號。
首次分子水平證實跨代遺傳
研究團隊通過解析水稻北移種植過程中的耐寒適應性演化規律，首次在分子水平證實環境誘導的表觀遺傳變異可介導適應性性狀的跨代遺傳，為“獲得性遺傳”理論提供了直接證據。
北京時間5月22日夜間，其相關成果論文在國際知名學術期刊《細胞》(Cell)上線發表。審稿專家評價稱，該研究超越了傳統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，該研究還創建“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生產挑戰提供創新性解決方案。
研究團隊開展水稻冷脅迫前的分蘗篩選。中國科學院遺傳發育所 供圖研究團隊介紹說，本項研究創新建立多代連續冷脅迫篩選體系，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定遺傳五代。
揭示表觀遺傳調控分子機制
通過多組學分析，研究團隊發現阿拉伯半乳糖蛋白基因ACT1啟動子區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甲基化編輯系統對ACT1啟動子甲基化狀態進行靶向修飾，本項研究成功實現耐冷性的定向調控，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啟動子區甲基化維持受阻，形成低甲基化表觀等位型。進一步研究發現，ACT1啟動子的甲基化變異區域存在轉錄因子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。
研究團隊開展水稻冷脅迫后的表型調查。中國科學院遺傳發育所 供圖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。
發現水稻冷適應馴化位點
研究團隊指出，自然變異分析發現，ACT1基因序列高度保守，但其DNA甲基化狀態呈現多態性，且顯著關聯水稻的耐冷性。
本項研究對來自中國3個主要稻區的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。
本項研究成果相關示意圖。中國科學院遺傳發育所 供圖曹曉風院士總結表示，這項研究系統闡明冷脅迫誘導的DNA甲基化變異在水稻適應高緯度低溫環境中的關鍵作用，并揭示表觀遺傳調控在物種快速環境適應中的分子機制，從而為拉馬克獲得性遺傳理論提供了分子層面上的直接證據。(完)