《“吃苦”也能变强？水稻逆袭背后的遗传新密码——2025中国生命科学十大进展之表观遗传变异驱动植物逆境适应》

——从“望天吃饭”到“主动进化”，中国科学家破解植物进化密码，为应对气候变化提供“中国方案”

想象一下，如果你在极寒的北极生活了几代人，你的后代是否天生就会比热带居民更抗冻？在19世纪，法国生物学家拉马克提出了著名的“获得性遗传”理论，认为生物在环境影响下获得的性状（比如长颈鹿为了吃高处的树叶伸长了脖子）是可以遗传给后代的。然而，这一观点在随后的两百年里一直备受争议，达尔文的“自然选择”学说占据了主导地位，科学界普遍认为只有DNA序列的改变（基因突变）才能遗传。

那么，环境真的不能直接改变遗传吗？植物又是如何在短短几十年里，从热带的海南岛“迁徙”到寒温带的黑龙江，还能结出金黄的稻谷呢？

2025年12月9日，中国科协生命科学学会联合体公布了年度“中国生命科学十大进展”。其中，中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队的成果——“表观遗传变异驱动植物逆境适应”，犹如一颗重磅炸弹，在分子水平上为拉马克的“获得性遗传”理论提供了关键实证。这项发表在国际顶级期刊《细胞》（Cell）上的研究，不仅解开了植物适应环境的神秘面纱，更可能彻底改变我们未来应对粮食危机的方式。

这项突破告诉我们：植物不仅是在被动地“适者生存”，它们还能主动地“总结经验”，并将这份“抗寒心得”写进遗传密码，传给子孙后代。

一、挑战与背景：气候变化下的“生存之战”

1. 现实困境：粮食安全的“达摩克利斯之剑”

对于我们普通人来说，“全球气候变化”可能只是天气预报里一个模糊的词汇，但对于一株水稻来说，这可能就是灭顶之灾。随着极端天气频发，倒春寒、寒露风等低温灾害严重威胁着农作物的产量。水稻，作为全球一半人口的主食，起源于热带和亚热带地区，天生喜热怕冷。然而，为了养活不断增长的人口，我们必须让水稻种植向高纬度、高海拔的寒冷地区扩张。

这就提出了一个巨大的科学难题：如何让原本怕冷的水稻，在短时间内快速适应寒冷的环境，并且这种适应性还能稳定地遗传下去？ 传统的育种方法往往需要十年甚至几十年的漫长时间，而且受限于基因库的多样性。如果我们能掌握植物“快速适应”的开关，就能为粮食安全抢出宝贵的时间。

2. 科学迷雾：拉马克的“幽灵”与表观遗传

长期以来，主流科学观点认为，环境只能通过“自然选择”筛选出那些碰巧发生基因突变的个体，而不能直接诱导生物产生适应性变异。拉马克的“获得性遗传”被视为异端。虽然后来科学家发现了“表观遗传”现象（即不改变DNA序列，通过甲基化等方式调控基因开关），但一直缺乏直接证据证明：环境诱导的表观遗传变异，能否直接导致适应性性状的跨代遗传？

这就好比一本书（DNA），自然选择是说只有改了书里的字（基因突变）才能传给后代；而拉马克认为，如果给书加个批注（表观修饰），告诉后代哪里要注意，这也是一种遗传。曹晓风团队的任务，就是找到那个具体的“批注”，并证明它确实能让后代变得更强大。

二、核心突破：给水稻“洗冷水澡”的惊人发现

1. 独创的“魔鬼训练营”

为了破解这个谜题，曹晓风团队建立了一个极其严苛的“多代连续冷胁迫筛选体系”。这就像给水稻办了一个“抗寒特训班”。他们选取了对低温敏感的水稻，在水稻最脆弱的“减数分裂期”（相当于水稻的“青春期”），对其进行低温处理。

经过整整三代的定向“折磨”和筛选，奇迹发生了：研究人员获得了一个耐寒性显著提升且遗传稳定的水稻株系。更令人震惊的是，当把这些“经历过苦难”的水稻后代移回常温环境下种植，它们的耐寒能力依然保持，并且这种“获得”的能力至少稳定遗传了五代！这直接证明了，环境胁迫确实可以诱导植物产生可遗传的适应性变异。

2. 找到“开关”：DNA甲基化的“红绿灯”

科学的突破不仅在于“做到了”，更在于“知道了原理”。通过多组学分析，团队找到了隐藏在水稻基因组中的“抗寒开关”——一个名为ACT1（获得性耐寒1）的基因。

通俗比喻： 我们可以把ACT1基因想象成水稻体内的“抗寒警报器”。

普通水稻： 在正常情况下，这个警报器的启动子区域被一层厚厚的“甲基化锁链”（DNA甲基化）锁住了。当冷空气来袭时，虽然有信号想激活它，但因为锁链太紧，警报器反应迟钝，导致水稻被冻伤。

特训水稻： 经历了多代低温胁迫后，水稻体内负责加锁的“锁匠”（DNA甲基转移酶MET1b）罢工了。导致ACT1启动子区域的“锁链”脱落（低甲基化），警报器从此处于“待命”状态。一旦温度下降，警报器瞬间拉响，调动全身资源御寒，水稻自然就抗冻了。

3. 自主创新：从“发现”到“编辑”的精准控制

这不仅仅是观察，更是掌控。曹晓风团队并没有止步于发现，他们利用DNA甲基化编辑系统，像使用“基因剪刀”一样，精准地修饰了ACT1启动子的甲基化状态。他们成功地在实验室里“一键开启”了水稻的耐寒模式，无需漫长的低温驯化，直接通过编辑表观遗传标记就实现了耐冷性的定向调控。

这一方法被称为“逆境驯化-表观变异鉴定-精准编辑”，是完全由中国团队自主创新的作物定向抗逆育种新思路。它发表在《细胞》杂志上，被审稿专家评价为“超越了传统达尔文进化理论框架，为理解适应性进化提供了新范式”。

三、技术路径与证据：从实验室到田间的“中国证据”

这项研究的严谨性体现在其层层递进的证据链上，它不仅在实验室里成立，在自然界中也得到了完美验证。

1. 分子机制的“铁证”

研究团队详细解析了从“低温胁迫”到“基因表达”的完整链条：

输入信号： 低温抑制了MET1b酶的表达。

中间过程： MET1b减少导致ACT1启动子去甲基化。

最终效应： 去甲基化让转录因子Dof1（一个冷诱导激活因子）更容易结合上去，从而激活ACT1表达，合成阿拉伯半乳糖蛋白，增强耐寒性。

2. 自然变异的“活化石”

为了证明这不只是实验室里的“人造奇迹”，团队分析了我国3个主要稻区的131份农家种（老品种水稻）。

南方（华南/华中）： 气候炎热，88%以上的水稻品种ACT1基因处于“高甲基化”状态（锁链锁着，不需要抗寒）。

北方（东北）： 气候寒冷，水稻品种中显著富集“低甲基化”ACT1（锁链脱落，随时准备抗寒）。

这种“南高北低”的DNA甲基化梯度分布，完美印证了ACT1的表观遗传变异是水稻在历史上北迁冷适应过程中的关键驯化位点。这一发现不仅发表在《细胞》，还获得了《自然》（Nature）、《植物细胞》（The Plant Cell）等顶级期刊的高度评价。

四、意义与未来：不仅仅是抗寒，更是“进化”的主动权

1. 农业生产的“降维打击”

这项成果对我们的生活意味着什么？简单来说，它给了育种家一把“快进键”。

应对气候变化： 以前，遇到极端低温，农民只能听天由命。现在，利用这项技术，我们可以快速培育出适应当地气候的超级抗逆品种，哪怕在寒冷的高纬度地区，也能保证稻谷的稳产高产。

绿色农业： 减少因冻害导致的产量损失，实际上就是减少了对化肥、农药的过度依赖，因为健康的植株更能抵抗病虫害。

2. 医学与生物学的“新启示”

虽然这项研究针对的是植物，但它对人类医学也有深远的启示。

表观遗传疗法： 如果环境能诱导植物产生有益的表观遗传记忆，那么人类的某些环境适应（比如高原适应性）是否也与此有关？这为研究人类复杂疾病的表观遗传机制提供了全新的视角。

进化理论的修正： 这项研究证实了“获得性遗传”在特定条件下是真实存在的。它补充了达尔文的进化论，告诉我们生物的进化不仅仅是缓慢的基因突变积累，还可以通过表观遗传进行快速的“微调”以适应环境。

3. 未来展望：AI + 表观遗传的“超级作物”

科学家们下一步的计划更加令人兴奋。结合另一项入选十大进展的“AI驱动蛋白质工程”技术，未来我们或许可以构建一个“超级作物设计平台”。通过AI模拟各种极端环境，预测作物需要的表观遗传修饰，然后通过精准编辑，直接创造出能抗旱、抗盐碱、抗病虫害的“全能型”作物。

升华与共鸣：中国智慧解码生命奥秘

在广西桂林，你可能对水稻的生长习性并不陌生。看着秧苗在水田里随风摇曳，我们往往觉得这是大自然的馈赠。然而，在这看似平静的绿色海洋之下，一场关于生存与进化的微观战争每时每刻都在进行。

曹晓风院士团队的这项成果，是中国科学家在基础生命科学领域的一次重大原创性突破。它没有依赖国外的技术路线，而是从最根本的生命现象出发，提出了全新的理论框架和育种思路。这不仅体现了中国科研力量的崛起，更展现了我们祖先“人定胜天”、“因地制宜”的古老智慧在现代科学语境下的完美诠释。

想象一下未来： 当全球气候变得更加变幻莫测，我们不再担心粮食减产，因为科学家已经掌握了让作物“主动适应”的密码。这不仅是实验室的胜利，更是人类智慧对生命奥秘探索的又一次伟大胜利。

这项研究告诉我们，生命不仅是在被动地接受自然的选择，它还有着惊人的主动适应和记忆能力。而科学，正是我们解读这份生命密码的钥匙。

来源: 桂粤科普