研究團隊介紹說，本項研究創新建立多代連續冷脅迫篩選體系，針對水稻對低溫最敏感的減數分裂期進行冷脅迫處理。經過三代定向選擇，成功獲得耐寒性顯著提升且遺傳穩定的水稻株系。該獲得性性狀呈現顯性遺傳特征，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，研究團隊發現阿拉伯半乳糖蛋白基因ACT1啟動子區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甲基化編輯系統對ACT1啟動子甲基化狀態進行靶向修飾，本項研究成功實現耐冷性的定向調控，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啟動子區甲基化維持受阻，形成低甲基化表觀等位型。進一步研究發現，ACT1啟動子的甲基化變異區域存在轉錄因子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。
發現水稻冷適應馴化位點
研究團隊指出，自然變異分析發現，ACT1基因序列高度保守，但其DNA甲基化狀態呈現多態性，且顯著關聯水稻的耐冷性。
本項研究對來自中國3個主要稻區的131份農家種的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88%以上的農家種含高甲基化ACT1，而高緯度冷涼氣候的東北稻區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。中國科學院遺傳發育所 供圖
曹曉風院士總結表示，這項研究系統闡明冷脅迫誘導的DNA甲基化變異在水稻適應高緯度低溫環境中的關鍵作用，并揭示表觀遺傳調控在物種快速環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。(完)
