水稻冷适应的表观遗传机制为拉马克理论提供了分子证据

中国研究人员最近发现了支持拉马克主义的分子证据，拉马克主义是19世纪初长期争论的一种理论，认为后天获得的特征可以遗传。

中国科学院遗传与发育生物学研究所的科学家在一项新研究中揭示了这一证据，该研究破译了水稻向北扩张过程中冷适应的进化模式。这项研究发表在《细胞》杂志上。在曹晓峰教授的带领下，研究人员证明了DNA甲基化——一种表观遗传变异或基因表达变化——介导了水稻获得性耐寒性的跨代遗传，支持了拉马克的理论。

在这项研究中，研究人员追踪了水稻向北扩展到较冷气候时的进化轨迹。通过针对水稻发育中对冷敏感的减数分裂阶段的创新多代冷胁迫筛选系统，他们在三代中应用了定向选择——鉴定和培育出最耐寒的水稻植株。

这种方法产生了稳定的水稻品系，在表现出显性遗传模式的性状的驱动下，其耐寒性显著增强。即使在压力条件消除后，这种耐受性也至少持续了五代。

多组学分析表明，ACT1（阿拉伯半乳聚糖蛋白编码基因）启动子的低甲基化是关键的表观遗传变异。研究人员使用DNA甲基化编辑系统来精确修饰阿拉伯半乳聚糖蛋白基因ACT1启动子的甲基化。通过这样做，他们实现了对耐寒性的定向调节，并证实了冷诱导的启动子低甲基化可以解除对ACT1表达的抑制，证明了表观遗传变异的因果作用。

为了揭示这种表观遗传调控的分子基础，研究人员接下来研究了其潜在机制。他们表明，冷应激下调了DNA甲基转移酶MET1b的表达，损害了ACT1启动子的甲基化维持，导致低甲基化表位基因的形成。

进一步的研究发现，ACT1启动子的甲基化变异区含有转录激活子Dof1的结合位点，其占据对DNA甲基化状态敏感。敲除Dof1显著降低了孕穗期的耐寒性，建立了冷胁迫的调节级联→MET1b下调→ACT1启动子去甲基化→ 增强的Dof1结合→ACT1激活→ 提高耐寒性。

自然变异分析表明，虽然ACT1编码序列高度保守，但其DNA甲基化状态表现出与耐寒性密切相关的多态性。在中国三个主要水稻种植区的131个地方品种中，来自南部和中部地区的88%以上的品种携带高甲基化的ACT1，而来自寒冷的东北地区的品种则显著富集了低甲基化的ACT 1。

这种“南高北低”的甲基化梯度表明，ACT1表观遗传变异是水稻驯化和地理扩张过程中选择的关键目标。

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通过系统地阐明冷诱导的表观遗传变异在水稻适应中的作用，这项研究不仅证实了快速环境适应的分子机制，还为长期被主流进化生物学排除在外的非孟德尔遗传理论提供了有力支持。

同行评审员对这项工作表示欢迎，他们说：“这种可能性对理解适应过程具有意义，并暗示了传统达尔文范式之外的机制。”

除了理论意义外，这项研究还为作物改良提供了一个实用的框架。研究人员提出了一种新的育种策略——“压力驯化”→ 表观遗传变异鉴定→ 这种方法为应对全球气候变化带来的农业挑战提供了一条有前景的途径