《Cell》水稻为什么耐寒？ DNA 甲基化是适应性关键

【编辑推荐】为解析获得性遗传的分子机制，研究人员以亚洲栽培稻（Oryza sativa L.）为对象，开展多代低温胁迫下耐寒性遗传研究。发现多代低温诱导 ACT1 启动子低甲基化，赋予水稻稳定遗传的耐寒性，揭示表观遗传变异驱动获得性遗传的新机制，为作物适应性进化研究提供新视角。

　　

在植物适应性进化的漫长旅程中，环境如何塑造可遗传的性状一直是生命科学领域的核心谜题。拉马克提出的 “获得性遗传” 假说虽历经百年争议，却始终缺乏直接的分子证据 —— 尤其是表观遗传变异能否驱动稳定的适应性性状遗传，一直是学术界亟待突破的关键科学问题。水稻作为全球重要的粮食作物，其从热带起源地向高纬度地区的扩张过程中，耐寒性的获得与遗传机制一直未被完全揭示。在这样的背景下，中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究团队聚焦水稻耐寒性的跨代遗传现象，展开了一系列深入研究，相关成果发表在国际顶级期刊《Cell》上。

为了破解水稻耐寒性获得与遗传的分子机制，研究团队以冷敏感水稻品种肯道 8 号（KD8）为材料，设计了多代低温胁迫实验。通过对减数分裂期植株进行连续多代低温处理，筛选出具有稳定遗传耐寒性的株系 KD8-3C，并结合基因组、转录组和甲基化组分析，最终锁定了关键基因 ACT1（获得性耐寒性 1 基因）及其表观遗传调控机制。

研究中主要采用的关键技术方法包括：①多代低温胁迫筛选体系：在哈尔滨自然条件下对水稻减数分裂期进行人工低温处理（15℃，7 天），通过种子结实率评估耐寒性；②多组学联合分析：利用全基因组重测序、转录组测序（RNA-seq）和全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS），比较冷敏感型（KD8-4N）与耐寒型（KD8-4C）的遗传和表观遗传差异；③表观基因组编辑技术：利用 SunTag 系统对 ACT1 启动子区域进行靶向去甲基化或甲基化编辑，验证 DNA 甲基化与耐寒性的因果关系；④遗传杂交与群体分析：通过 KD8-4N 与 KD8-4C 的正反交及 F?代群体，分析 ACT1 甲基化与耐寒性的相关性；⑤分子互作验证：采用电泳迁移率变动分析（EMSA）和染色质免疫沉淀 - 定量 PCR（ChIP-qPCR），研究转录因子 Dof1 与 ACT1 启动子的结合机制。

多代低温胁迫诱导可遗传的耐寒性

研究人员通过连续三代低温胁迫处理，发现 KD8 株系在第三代（KD8-3C）出现稳定的耐寒性表型，其种子结实率在低温下显著高于对照组，且该表型在后续五代无胁迫条件下仍稳定遗传。遗传分析表明，耐寒性由显性表观遗传变异控制，而非传统基因突变。通过基因组测序发现，KD8-4C 与 KD8-4N 之间仅有 877 个单核苷酸多态性（SNP）和插入缺失（indels），且多位于转座子区域，排除了关键基因编码区突变的可能性。

ACT1 启动子低甲基化是耐寒性的关键表观遗传标记

通过转录组和甲基化组联合分析，研究人员在 12 个差异表达基因中筛选出 ACT1 基因，其启动子区域（-1549 至 - 1513 bp）在 KD8-4C 中呈现连续低甲基化状态，涉及 3 个 CG 和 3 个 CHG 位点。靶向去甲基化实验表明，在冷敏感型背景下人工降低 ACT1 启动子甲基化水平，可显著增强低温下的 ACT1 表达和种子结实率；反之，甲基化恢复实验则导致耐寒性丧失。F?代群体分析显示，ACT1 低甲基化等位基因与耐寒性呈强负相关（Pearson’s R=-0.757），证实其作为关键表观等位基因的作用。

Dof1 转录因子介导 ACT1 低甲基化的调控机制

进一步研究发现，ACT1 启动子包含转录因子 Dof1 的结合基序（CAAAAAGTTCA），该基序中的 CHG 位点甲基化会阻碍 Dof1 的结合。低温诱导 Dof1 表达后，其在低甲基化的 ACT1 启动子上的结合效率显著增强，从而维持 ACT1 的持续表达，赋予水稻低温耐受性。敲除 Dof1 基因会导致 ACT1 表达降低和耐寒性减弱，而 Dof1 过表达则增强 ACT1 活性，进一步验证了二者的调控关系。

自然群体中 ACT1 甲基化与地理分布的适应性关联

对 31 个水稻品种和 131 个地方品种的分析表明，ACT1 启动子甲基化水平与耐寒性呈显著负相关，且低甲基化等位基因在高纬度寒冷地区（如中国东北地区）的品种中显著富集（72%），而在南方温暖地区则以高甲基化为主（88%）。野生稻群体中普遍存在 ACT1 高甲基化，提示低甲基化等位基因可能在水稻北扩过程中被自然选择保留，成为适应性进化的关键驱动力。

低温诱导 MET1b 下调驱动低甲基化等位基因形成

机制研究发现，低温胁迫会显著下调 DNA 甲基转移酶基因 MET1b 和 CMT3 的表达，导致 CG 和 CHG 位点甲基化维持失败。MET1b RNA 干扰株系中，ACT1 启动子呈现与 KD8-4C 类似的低甲基化模式，且无 24-nt 小干扰 RNA（siRNA）靶向该区域，表明 MET1b 依赖的甲基化维持通路失活是低甲基化等位基因形成的主要原因。

研究结论与意义
本研究首次在水稻中证实，环境诱导的表观遗传变异（ACT1 启动子低甲基化）可稳定遗传并驱动适应性性状（耐寒性）的跨代传递，为拉马克获得性遗传理论提供了直接的分子证据。研究揭示的 “低温→甲基转移酶下调→表观等位基因形成→转录因子结合增强→适应性表型” 通路，不仅阐明了水稻北扩的遗传基础，也为作物抗逆育种提供了新策略 —— 通过表观基因组编辑靶向调控关键位点甲基化，可能加速作物适应性改良。此外，该研究拓展了表观遗传学在进化生物学中的意义，提示表观遗传变异可能作为 “快速进化引擎”，在物种应对环境变化中发挥关键作用。