中新網(wǎng)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(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，但由于缺乏直接的分子遺傳學證據(jù)，這一理論長期存在爭議。
針對物種環(huán)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(fā)育生物學研究所(遺傳發(fā)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(guī)律，首次在分子水平證實環(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“獲得性遺傳”理論提供了直接證據(jù)。
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(fā)表。審稿專家評價稱，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“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(nóng)業(yè)生產(chǎn)挑戰(zhàn)提供創(chuàng)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(fā)育所 供圖研究團隊介紹說，本項研究創(chuàng)新建立多代連續(xù)冷脅迫篩選體系，針對水稻對低溫最敏感的減數(shù)分裂期進行冷脅迫處理。經(jīng)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(xiàn)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。
揭示表觀遺傳調控分子機制
通過多組學分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)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，本項研究成功實現(xiàn)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(xiàn)，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。
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(fā)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(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。
發(fā)現(xiàn)水稻冷適應馴化位點
研究團隊指出，自然變異分析發(fā)現(xiàn)，ACT1基因序列高度保守，但其DNA甲基化狀態(tài)呈現(xiàn)多態(tài)性，且顯著關聯(lián)水稻的耐冷性。
本項研究對來自中國3個主要稻區(qū)的131份農(nóng)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(nóng)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。
本項研究成果相關示意圖。中國科學院遺傳發(fā)育所 供圖曹曉風院士總結表示，這項研究系統(tǒng)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(huán)境中的關鍵作用，并揭示表觀遺傳調控在物種快速環(huán)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(jù)。(完)