Cell：超越达尔文进化论，为拉马克“平反”，我国学者发现“获得性遗传”直接证据

早在 1802 年，法国博物学家拉马克就提出了最早的生物进化思想——用进废退的获得性遗传理论，该理论认为，生物体随外界环境变化做出适应性改变，并将获得的有利性状稳定遗传给后代。这一理论缺乏直接的分子生物学证据，未能让人信服，被达尔文后来提出的自然选择的进化论取代。

主流进化论认为，DNA 一直在发生随机突变，这些随机突变被自然选择，从而产生了适应性特征，这是适应性特征产生的唯一途径。

近年来，表观遗传领域的发现或许能为“获得性遗传”理论提供解释，然而，尚未观察到具有适应性意义且同时能够稳定遗传的表观遗传改变，因此，获得性特征是否能够稳定遗传，仍有待证实。

2025 年 5 月 22 日，中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士、宋显伟研究员团队在 Cell 期刊发表了题为：Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation 的研究论文。

这项具有里程碑意义的研究表明，水稻可以在没有任何 DNA 序列变化的情况下，仅通过 DNA 的甲基化修饰就将获得的适应性耐寒性状稳定遗传下去，从而证实了一种进化形式——环境压力可以在不改变生物体 DNA 序列的情况下诱导可遗传的变化。

这一发现为拉马克的“获得性遗传”理论提供了直接证据，超越了传统达尔文进化论框架，挑战了“自然选择”是进化中唯一的适应性力量，为理解适应性进化提供了新范式，也为作物抗逆育种提供了全新思路。

水稻原产于热带地区，但如今已能在世界各地种植，甚至适应了较寒冷的环境，例如，我国东北地区就大量种植水稻。在这项研究中，研究团队尝试探索水稻是如何获得适应低温的能力的。

研究团队发现了一种亚洲水稻品种，这种品种特别怕冷，在较冷的环境中生长时，产生的可育种子数量较少。研究团队在该水稻品种准备开始繁殖时，将它们置于温度设定为零下 15°C 的密室中 7 天时间，然后再转移自然环境中。从结籽最多的水稻上收集种子，然后用这些种子种出的水稻接受同样的低温胁迫。

通过这种方式，研究团队发现，到了第三代，在寒冷压力下，其中一个品种仍结出了许多种子，在继续该实验的五代中，这些水稻的耐寒能力一直在保持。

这些水稻只用了三代就获得了耐寒能力，让研究团队倍感惊讶，因为这一速度比通过自然选择来获得适应环境能力的速度要快得多。研究团队只花费了4 年时间做出了这一发现，但他们花费了更多时间来确认水稻的这些变化的稳定性。

为了排除这种适应性变化是由于耐寒相关 DNA 序列变化所致的可能性，研究团队对这些水稻以及那些未受低温处理且未获得相同耐寒性的水稻进行了基因组测序，结果没有发现这些水稻出现任何可能有助于耐寒性的基因差异。

既然 DNA 序列层面没有变化，研究团队开始寻找这些水稻是否存在表观遗传差异。结果显示，与不耐寒的水稻品种相比，这些耐寒水稻的一个特定基因（研究团队将其命名为获得性耐寒性-1基因，简称ACT1）存在差异，其 DNA 序列并没有任何改变，而是其启动子区域的 DNA 甲基化水平更低。

研究团队进一步证实，对于在正常温度下生长的水稻，降低 ACT1 基因启动子区域的 DNA 甲基化水平，能够让其更好地耐受寒冷压力，而恢复其 DNA 甲基化，这些水稻就会失去耐受寒冷的能力。从而首次直接证明了这种表观遗传改变与耐寒性之间的因果关系。
从机制上来说，寒冷抑制了甲基转移酶 MET1b，导致 ACT1 基因的启动子去甲基化。去甲基化后，冷响应因子 Dof1 与其结合效率提高了 3 倍，ACT1 基因编码的阿拉伯半乳聚糖蛋白能够稳定细胞膜，提高应对寒冷的能力。

接下来，研究团队在全国各地的 131 个水稻品种中寻找 ACT1 基因启动子甲基化水平的变化。结果显示，在寒冷的东北地区的种植的大多数水稻品种，其 ACT1 基因启动子甲基化水平显著更低，而在温暖的华南地区种植的大多数水稻品种的 ACT1 基因启动子则存在大量甲基化。水稻在北迁过程中，呈现出 ACT1 基因启动子甲基化水平的逐步降低。这表明水稻的耐寒特征可能是被选择出来的，并促进了水稻从热带地区向北迁移。

该研究的核心发现：

• 在水稻繁殖期间反复遭受寒冷胁迫可诱导产生可遗传的耐寒性；
• 寒冷诱导的 ACT1 基因 DNA 去甲基化介导了耐寒性的获得；
• ACT1 DNA 甲基化的天然改变导致 Dof1 结合的差异；
• 低甲基化 ACT1 表观等位基因增强水稻对高纬度地区的适应性。

总的来说，这项研究揭示了环境诱导的表观遗传突变可以不依赖持续胁迫而稳定遗传，并赋予适应性优势，为拉马克的“获得性遗传”理论提供了分子水平的直接证据。这超越了传统达尔文进化论框架，为理解适应性进化提供了新范式。同时，该研究创建了“逆境驯化-表型筛选-突变鉴定-精准编辑”的作物定向抗逆育种新思路，为应对全球气候变化下的农业生产挑战提供了创新性解决方案。