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助力科研,乐动平台(中国)生物Blunt基因克隆试剂盒荣登Cell

文章信息

文章题目:Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation

期刊:Cell

发表时间:2025年5月22日

主要内容:中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队在 Cell 杂志发表题为 Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation 的研究论文。该研究以水稻北移种植过程中的耐冷适应性为模型,揭示了低温诱导 DNA 甲基化变异介导了耐冷适应性状获得及稳定遗传的分子机制。首次为拉马克获得性遗传理论提供了直接证据,并为作物抗逆改良开辟了新途径。

原文链接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00506-9

使用TransGen产品:

pEASY®-Blunt Cloning Kit (CB101)

Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation

研究背景

物种在多变环境下的适应性进化作为进化生物学研究的核心科学问题,早在达尔文提出自然选择学说的半个多世纪之前,法国进化论先驱拉马克就创立了获得性遗传理论,该理论认为生物体能主动适应环境变化并将有利性状遗传给后代,但因缺乏分子遗传学证据长期备受争议。以起源于热带亚热带地区的水稻为例,其向高纬度扩展种植时面临低温适应性挑战,常出现结实率骤降等问题。传统观点认为,这一适应过程是通过长期的人工驯化逐步实现的,主要涉及关键功能基因蛋白质序列的渐进性改变。尽管表观遗传调控等分子机制也参与水稻的短期低温响应,但尚无证据表明其直接参与了水稻的长期低温环境适应。

文章概述

为了模拟水稻北移的演化过程,研究团队通过在水稻减数分裂期施加多代连续冷胁迫筛选,成功培育出耐冷性显著增强且性状稳定的株系。该获得性性状呈显性遗传,并能在常温下稳定遗传至少五代。多组学分析揭示,ACT1 基因启动子区甲基化缺失使其表达不受低温抑制,且 F2 代群体分析显示 ACT1 甲基化水平与耐冷性高度相关。通过靶向编辑该位点甲基化状态,成功实现了耐冷性的定向调控,确证了表观遗传突变的因果性。研究发现,低温通过抑制 DNA 甲基转移酶 MET1b 表达,导致 ACT1 启动子区甲基化维持受阻,形成低甲基化表观等位型。进一步研究发现,ACT1 启动子的甲基化变异区域存在转录因子 Dof1 的结合位点,其结合对 DNA 甲基化敏感。Dof1 为一个受冷诱导表达的激活型转录因子,敲除后显著降低孕穗期的耐冷能力。这些发现揭示了完整的冷适应调控通路:低温胁迫下调甲基转移酶 MET1b 的表达,引发 ACT1 启动子 DNA 甲基化丢失,促进 Dof1 的结合,从而激活 ACT1 表达,赋予水稻耐冷性。自然变异分析发现 ACT1 基因序列保守但甲基化呈现多态性,且与耐冷性显著相关。对中国三大稻区 131 份农家种的分析显示,低纬度的华南、华中稻区 88% 以上品种携带高甲基化 ACT1,而高纬度的东北稻区则显著富集低甲基化 ACT1。这种"南高北低"的甲基化梯度分布表明,ACT1 表观变异可能是水稻北迁冷适应的关键驯化位点。

ACT1位点甲基化变异促进水稻向高纬度地区扩张

ACT1 位点甲基化变异促进水稻向高纬度地区扩张

该研究发现了冷胁迫可诱发水稻产生稳定遗传的 DNA 甲基化变异,促进其适应高纬度区域的低温气候,揭示了物种通过表观遗传变异快速适应环境变化的分子基础,为拉马克获得性遗传理论提供了分子层面上的直接证据。正如一位审稿人对该工作的评述:"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"。同时,该研究阐明了表观自然变异对作物耐逆适应性的关键调控作用,创建了"逆境驯化-表型筛选-变异鉴定-精准编辑"的作物定向抗逆育种新思路,为应对气候变化下的农业挑战提供了创新解决方案。

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使用 pEASY®-Blunt Cloning Kit (CB101)  产品发表的部分文章:

• 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)

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