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(diào)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(guān)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(diào)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(zhuǎn)移酶MET1b的表達，導(dǎo)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(zhuǎn)錄因子Dof1的結(jié)合位點，其結(jié)合對DNA甲基化敏感。Dof1為一個受冷誘導(dǎo)表達的激活型轉(zhuǎn)錄因子，敲除后顯著降低孕穗期的耐冷能力。

　　這些研究揭示了完整的冷適應(yīng)調(diào)控通路：低溫脅迫下調(diào)甲基轉(zhuǎn)移酶MET1b的表達，引發(fā)ACT1啟動子DNA甲基化丟失，促進Dof1的結(jié)合，從而激活A(yù)CT1表達，賦予水稻耐冷性。

　　發(fā)現(xiàn)水稻冷適應(yīng)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(guān)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(yīng)中關(guān)鍵馴化位點。

　　曹曉風院士總結(jié)表示，這項研究系統(tǒng)闡明冷脅迫誘導(dǎo)的DNA甲基化變異在水稻適應(yīng)高緯度低溫環(huán)境中的關(guān)鍵作用，并揭示表觀遺傳調(diào)控在物種快速環(huán)境適應(yīng)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)