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文章題目：Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation
期刊：Cell
發(fā)表時間：2025年5月22日
主要內(nèi)容：中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所曹曉風(fēng)院士團隊在 Cell 雜志發(fā)表題為 Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation 的研究論文。該研究以水稻北移種植過程中的耐冷適應(yīng)性為模型，揭示了低溫誘導(dǎo) DNA 甲基化變異介導(dǎo)了耐冷適應(yīng)性狀獲得及穩(wěn)定遺傳的分子機制。首次為拉馬克獲得性遺傳理論提供了直接證據(jù)，并為作物抗逆改良開辟了新途徑。
原文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00506-9
使用TransGen產(chǎn)品：
pEASY?-Blunt Cloning Kit (CB101)
研究背景
物種在多變環(huán)境下的適應(yīng)性進化作為進化生物學(xué)研究的核心科學(xué)問題，早在達爾文提出自然選擇學(xué)說的半個多世紀(jì)之前，法國進化論先驅(qū)拉馬克就創(chuàng)立了獲得性遺傳理論，該理論認(rèn)為生物體能主動適應(yīng)環(huán)境變化并將有利性狀遺傳給后代，但因缺乏分子遺傳學(xué)證據(jù)長期備受爭議。以起源于熱帶亞熱帶地區(qū)的水稻為例，其向高緯度擴展種植時面臨低溫適應(yīng)性挑戰(zhàn)，常出現(xiàn)結(jié)實率驟降等問題。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，這一適應(yīng)過程是通過長期的人工馴化逐步實現(xiàn)的，主要涉及關(guān)鍵功能基因蛋白質(zhì)序列的漸進性改變。盡管表觀遺傳調(diào)控等分子機制也參與水稻的短期低溫響應(yīng)，但尚無證據(jù)表明其直接參與了水稻的長期低溫環(huán)境適應(yīng)。
文章概述
為了模擬水稻北移的演化過程，研究團隊通過在水稻減數(shù)分裂期施加多代連續(xù)冷脅迫篩選，成功培育出耐冷性顯著增強且性狀穩(wěn)定的株系。該獲得性性狀呈顯性遺傳，并能在常溫下穩(wěn)定遺傳至少五代。多組學(xué)分析揭示，ACT1 基因啟動子區(qū)甲基化缺失使其表達不受低溫抑制，且 F2 代群體分析顯示 ACT1 甲基化水平與耐冷性高度相關(guān)。通過靶向編輯該位點甲基化狀態(tài)，成功實現(xiàn)了耐冷性的定向調(diào)控，確證了表觀遺傳突變的因果性。研究發(fā)現(xiàn)，低溫通過抑制 DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶 MET1b 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。這些發(fā)現(xiàn)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 ACT1 表達，賦予水稻耐冷性。自然變異分析發(fā)現(xiàn) ACT1 基因序列保守但甲基化呈現(xiàn)多態(tài)性，且與耐冷性顯著相關(guān)。對中國三大稻區(qū) 131 份農(nóng)家種的分析顯示，低緯度的華南、華中稻區(qū) 88% 以上品種攜帶高甲基化 ACT1，而高緯度的東北稻區(qū)則顯著富集低甲基化 ACT1。這種"南高北低"的甲基化梯度分布表明，ACT1 表觀變異可能是水稻北遷冷適應(yīng)的關(guān)鍵馴化位點。
ACT1 位點甲基化變異促進水稻向高緯度地區(qū)擴張
該研究發(fā)現(xiàn)了冷脅迫可誘發(fā)水稻產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳的 DNA 甲基化變異，促進其適應(yīng)高緯度區(qū)域的低溫氣候，揭示了物種通過表觀遺傳變異快速適應(yīng)環(huán)境變化的分子基礎(chǔ)，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)。正如一位審稿人對該工作的評述："超越了傳統(tǒng)達爾文進化理論框架，為理解適應(yīng)性進化提供了新范式"。同時，該研究闡明了表觀自然變異對作物耐逆適應(yīng)性的關(guān)鍵調(diào)控作用，創(chuàng)建了"逆境馴化-表型篩選-變異鑒定-精準(zhǔn)編輯"的作物定向抗逆育種新思路，為應(yīng)對氣候變化下的農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新解決方案。
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pEASY?-Blunt Cloning Kit (CB101)
本產(chǎn)品包含 Lacz 基因，在含有 IPTG 和 X-gal 的平板培養(yǎng)基上，可進行藍白斑篩選，適用于平端克隆。因其克隆效率高，產(chǎn)品性能穩(wěn)定的特點多次榮登知名期刊。
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使用 pEASY?-Blunt Cloning Kit (CB101) 產(chǎn)品發(fā)表的部分文章：
? Song X W, Tang S J, Liu H, et al. Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation[J]. Cell, 2025.(IF 45.6)
? Liu J, Lu J, Zhang C, et al. Tandem intermolecular [4+ 2] cycloadditions are catalysed by glycosylated enzymes for natural product biosynthesis[J]. Nature Chemistry, 2023.(IF 21.80)
? Li Q, Lu J, Yin X, et al. Base editing-mediated one-step inactivation of the Dnmt gene family reveals critical roles of DNA methylation during mouse gastrulation[J]. Nature Communications, 2023.(IF 17.69)
? Wen R, Wang S, Wang K, et al. Complete gene sequence and mechanical property of the fourth type of major ampullate silk protein[J]. Acta Biomaterialia, 2023.(IF 10.63)
? Zheng Z, Wang B, Zhuo C, et al. Local auxin biosynthesis regulates brace root angle and lodging resistance in maize[J]. New Phytologist, 2023.(IF 10.32)
? Li J, Yuan J, Li Y, et al. The CDC48 complex mediates ubiquitin-dependent degradation of intra-chloroplast proteins in plants[J]. Cell Reports, 2022.(IF 9.4)
? He M, Su J, Xu Y, et al. Discovery of broad-spectrum fungicides that block septin-dependent infection processes of pathogenic fungi[J]. Nature Microbiology, 2020.(IF 15.54)
