Cell：超越達(dá)爾文進(jìn)化論，為拉馬克“平反”，我國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)“獲得性遺傳”直接證據(jù)

早在 1802 年，法國(guó)博物學(xué)家拉馬克就提出了最早的生物進(jìn)化思想——用進(jìn)廢退的獲得性遺傳理論，該理論認(rèn)為，生物體隨外界環(huán)境變化做出適應(yīng)性改變，并將獲得的有利性狀穩(wěn)定遺傳給后代。這一理論缺乏直接的分子生物學(xué)證據(jù)，未能讓人信服，被達(dá)爾文后來(lái)提出的自然選擇的進(jìn)化論取代。

主流進(jìn)化論認(rèn)為，DNA 一直在發(fā)生隨機(jī)突變，這些隨機(jī)突變被自然選擇，從而產(chǎn)生了適應(yīng)性特征，這是適應(yīng)性特征產(chǎn)生的唯一途徑。

近年來(lái)，表觀遺傳領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)或許能為“獲得性遺傳”理論提供解釋，然而，尚未觀察到具有適應(yīng)性意義且同時(shí)能夠穩(wěn)定遺傳的表觀遺傳改變，因此，獲得性特征是否能夠穩(wěn)定遺傳，仍有待證實(shí)。

2025 年 5 月 22 日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所曹曉風(fēng)院士、宋顯偉研究員團(tuán)隊(duì)在 Cell 期刊發(fā)表了題為：Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation 的研究論文。

這項(xiàng)具有里程碑意義的研究表明，水稻可以在沒(méi)有任何 DNA 序列變化的情況下，僅通過(guò) DNA 的甲基化修飾就將獲得的適應(yīng)性耐寒性狀穩(wěn)定遺傳下去，從而證實(shí)了一種進(jìn)化形式——環(huán)境壓力可以在不改變生物體 DNA 序列的情況下誘導(dǎo)可遺傳的變化。

這一發(fā)現(xiàn)為拉馬克的“獲得性遺傳”理論提供了直接證據(jù)，超越了傳統(tǒng)達(dá)爾文進(jìn)化論框架，挑戰(zhàn)了“自然選擇”是進(jìn)化中唯一的適應(yīng)性力量，為理解適應(yīng)性進(jìn)化提供了新范式，也為作物抗逆育種提供了全新思路。

水稻原產(chǎn)于熱帶地區(qū)，但如今已能在世界各地種植，甚至適應(yīng)了較寒冷的環(huán)境，例如，我國(guó)東北地區(qū)就大量種植水稻。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)嘗試探索水稻是如何獲得適應(yīng)低溫的能力的。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種亞洲水稻品種，這種品種特別怕冷，在較冷的環(huán)境中生長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生的可育種子數(shù)量較少。研究團(tuán)隊(duì)在該水稻品種準(zhǔn)備開始繁殖時(shí)，將它們置于溫度設(shè)定為零下 15°C 的密室中 7 天時(shí)間，然后再轉(zhuǎn)移自然環(huán)境中。從結(jié)籽最多的水稻上收集種子，然后用這些種子種出的水稻接受同樣的低溫脅迫。

通過(guò)這種方式，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，到了第三代，在寒冷壓力下，其中一個(gè)品種仍結(jié)出了許多種子，在繼續(xù)該實(shí)驗(yàn)的五代中，這些水稻的耐寒能力一直在保持。

這些水稻只用了三代就獲得了耐寒能力，讓研究團(tuán)隊(duì)倍感驚訝，因?yàn)檫@一速度比通過(guò)自然選擇來(lái)獲得適應(yīng)環(huán)境能力的速度要快得多。研究團(tuán)隊(duì)只花費(fèi)了4 年時(shí)間做出了這一發(fā)現(xiàn)，但他們花費(fèi)了更多時(shí)間來(lái)確認(rèn)水稻的這些變化的穩(wěn)定性。

為了排除這種適應(yīng)性變化是由于耐寒相關(guān) DNA 序列變化所致的可能性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這些水稻以及那些未受低溫處理且未獲得相同耐寒性的水稻進(jìn)行了基因組測(cè)序，結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這些水稻出現(xiàn)任何可能有助于耐寒性的基因差異。

既然 DNA 序列層面沒(méi)有變化，研究團(tuán)隊(duì)開始尋找這些水稻是否存在表觀遺傳差異。結(jié)果顯示，與不耐寒的水稻品種相比，這些耐寒水稻的一個(gè)特定基因（研究團(tuán)隊(duì)將其命名為獲得性耐寒性-1基因，簡(jiǎn)稱ACT1）存在差異，其 DNA 序列并沒(méi)有任何改變，而是其啟動(dòng)子區(qū)域的 DNA 甲基化水平更低。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)，對(duì)于在正常溫度下生長(zhǎng)的水稻，降低 ACT1 基因啟動(dòng)子區(qū)域的 DNA 甲基化水平，能夠讓其更好地耐受寒冷壓力，而恢復(fù)其 DNA 甲基化，這些水稻就會(huì)失去耐受寒冷的能力。從而首次直接證明了這種表觀遺傳改變與耐寒性之間的因果關(guān)系。

從機(jī)制上來(lái)說(shuō)，寒冷抑制了甲基轉(zhuǎn)移酶 MET1b，導(dǎo)致 ACT1 基因的啟動(dòng)子去甲基化。去甲基化后，冷響應(yīng)因子 Dof1 與其結(jié)合效率提高了 3 倍，ACT1 基因編碼的阿拉伯半乳聚糖蛋白能夠穩(wěn)定細(xì)胞膜，提高應(yīng)對(duì)寒冷的能力。

接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)在全國(guó)各地的 131 個(gè)水稻品種中尋找 ACT1 基因啟動(dòng)子甲基化水平的變化。結(jié)果顯示，在寒冷的東北地區(qū)的種植的大多數(shù)水稻品種，其 ACT1 基因啟動(dòng)子甲基化水平顯著更低，而在溫暖的華南地區(qū)種植的大多數(shù)水稻品種的 ACT1 基因啟動(dòng)子則存在大量甲基化。水稻在北遷過(guò)程中，呈現(xiàn)出 ACT1 基因啟動(dòng)子甲基化水平的逐步降低。這表明水稻的耐寒特征可能是被選擇出來(lái)的，并促進(jìn)了水稻從熱帶地區(qū)向北遷移。