19世纪初，拉马克提出获得性遗传理论，认为生物个体在其一生中因环境变化、需求变化或“用进废退”而获得的新性状（后天获得的改变），能够直接遗传给它们的后代，但该理论长期缺乏直接的分子证据，因此受到争议。表观遗传机制（如DNA 甲基化）虽与环境诱导的表型变化相关，但此前研究未证实其在维持遗传稳定性的同时具备适应性意义。亚洲栽培稻从热带起源地向北扩展时，耐寒性作为关键适应性性状亟待解析其分子基础。已有研究表明，多代冷胁迫可诱导水稻获得可遗传的耐寒性，但具体机制不明。

2025 年 5 月 22 日，中科院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队于国际顶级学术期刊《Cell》发表了一篇具有重要意义的研究成果。该研究以 “Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation” 为题，揭示了水稻中通过 DNA 甲基化实现获得性适应性耐寒性遗传的机制。该研究聚焦水稻减数分裂期冷敏感特性，通过多代筛选、多组学分析及功能验证，探索了DNA 甲基化是否介导这一获得性遗传性状的形成与稳定遗传。

主要结论

1、多代冷胁迫触发可遗传的耐寒性

为探究水稻北扩过程中耐寒性的获得机制，研究团队以冷敏感品种 KenDao8（KD8）为材料，在减数分裂期施加多代冷胁迫（15℃处理 7 天），每代筛选耐寒穗（结实率提升的穗），收集其种子并种植。第二代冷处理后，KD8-2C 株系的穗部结实率显著提高，第三代 KD8-3C 株系在冷处理下的结实率进一步上升，KD8-4C后代在连续冷处理中维持了耐寒性——冷处理下结实率达 70%-80%，而未经冷处理的对照组 KD8-4N 结实率仅约30%。连续 5 代观察表明，KD8-4C 的耐寒性在无冷胁迫条件下仍稳定遗传，且正反交 F1 代在冷胁迫下均表现高结实率，证实控制获得性耐寒性的基因座以显性方式起作用，并且可以在没有低温刺激的情况下至少跨代遗传五代。这一结果表明，多代冷胁迫可诱导水稻产生可跨代遗传的耐寒性，为其适应高纬度环境提供了关键机制。

图 冷胁迫驱动水稻耐寒性的获得和稳定遗传

2、耐寒性由显性表观遗传变异调控
通过全基因组测序及组装对比 KD8-4C 与 KD8-4N，研究发现两者仅存在 877 个 SNPs/indels，其中 745 个位于转座子区域，仅 1 个基因（Os02g0776800）在KD8-4C中发生 3 bp 缺失导致氨基酸序列改变，但该变异在 F2 群体中与耐寒性无显著相关性，排除了该变异作为耐寒性主因的可能。进一步结合转录组与甲基化组分析，研究筛选出 12 个在冷处理下表达模式与耐寒性相关的候选基因，其中仅 ACT1（Os08g0482300）在 KD8-4C 中存在差异甲基化。

图 ACT1表观等位基因与耐寒获得有关

3、 ACT1 的 DNA 低甲基化赋予水稻耐寒性

冷处理下，KD8-4N 中 ACT1 表达随处理时间（1-5 天）显著下调，而 KD8-4C 及 F1 代的 ACT1 表达变化较小，这种表达差异与启动子区低甲基化直接相关。亚硫酸盐测序及Chop-PCR实验等证实，KD8-4C 的 ACT1 启动子区存在 3 个 CG 和 3 个 CHG 位点的低甲基化。在 F2 群体中，ACT1 甲基化水平与耐寒性呈强负相关，低甲基化等位基因在耐寒个体中显著富集。因此，低温诱导的DNA甲基化改变和ACT1的冷响应表达具有稳定遗传性，并与获得性耐寒性相关。利用SunTag技术对KD8-4N中ACT1上游的高甲基化区域进行去甲基化处理，可使 KD8-4N 的结实率提升。而强制甲基化 KD8-4C 的 ACT1 则导致结实率降低。机制上，冷诱导的转录因子 Dof1 可结合 ACT1 低甲基化区域（含 CAAAAAGTTCA 基序），促进其转录 ——EMSA 显示 Dof1 与未甲基化探针的结合亲和力显著高于甲基化探针。

图 KD8中ACT1的靶向DNA去甲基化可获得耐寒性

4、ACT1 低甲基化作为冷适应靶点经历自然选择
功能实验表明，ACT1 敲除株系在冷处理下结实率降低，而过表达株系结实率提升，这些结果表明，ACT1功能对耐寒性至关重要。此外，2847 份亚洲栽培稻的 ACT1 区域未检测到高频序列变异，但甲基化状态与生态分布高度关联，暗示表观遗传变异的适应性作用。对 31 个品种/地方品种的分析显示，ACT1 甲基化水平与冷处理结实率呈极强负相关。95.4%（21/22）的耐寒品种携带 ACT1 低甲基化等位基因，而所有 9 个冷敏感品种均为高甲基化。地理分布上，中国南方温暖地区（区域 1-2）88% 的地方品种 ACT1 高甲基化，而北方寒冷地区（区域 3）72% 为低甲基化，野生稻群体则全部为高甲基化，表明低甲基化等位基因在水稻北扩过程中被自然选择保留。

图 ACT1 甲基化的自然变异与水稻品种的耐寒性和纬度分布有关

5、冷诱导的 MET1b下调可能导致低甲基化 ACT1 等位基因形成

冷处理下，KD8-4N 中 DNA 甲基转移酶 MET1b 和 CMT3 的表达显著下调，其中 MET1b 的表达下调与 ACT1 低甲基化直接相关 ——MET1b RNAi 株系中，ACT1 启动子的 3 个 CG 和 3 个 CHG 位点甲基化水平降至与 KD8-4C 相似，证实 MET1b 参与维持 ACT1 的甲基化状态。小 RNA 测序显示，KD8-4N 和 KD8-4C 中均无靶向 ACT1 甲基化区域的 24-nt siRNA，排除了 RNA 介导的 DNA 甲基化（RdDM）途径，表明 ACT1 低甲基化主要由甲基转移酶活性下调而非小 RNA 诱导。由此提出模型：冷胁迫通过抑制 MET1b 表达，导致 ACT1 启动子甲基化维持失败，经多代累积后形成稳定的低甲基化等位基因，最终赋予水稻可遗传的耐寒性。

图 低温诱导dna甲基化变异介导适应性耐寒获得的机制

文章总结

该研究通过多代遗传筛选、多组学对比、功能验证及自然群体分析，系统揭示了水稻通过 ACT1 启动子低甲基化获得可遗传耐寒性的分子机制。冷胁迫诱导的 MET1b 下调是低甲基化的起始因素，而转录因子 Dof1 的结合增强了 ACT1 的冷稳定表达，该表观遗传变异在自然群体中与地理分布和冷适应高度关联，为 “环境诱导获得性遗传” 提供了植物中的典型案例。

参考文献：

Song, Xianwei et al. Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation. Cell, 2025.