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文 ｜ 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 記者?馮麗妃
7月的一個(gè)清晨，哈爾濱還沉浸在靜謐中，宋顯偉、孟英和同事已抵達(dá)水稻盆栽試驗(yàn)場(chǎng)，俯身仔細(xì)查看每棵秧苗的生長(zhǎng)狀態(tài)，判斷是否進(jìn)入孕穗期。這是水稻對(duì)低溫最敏感的關(guān)鍵階段，也是他們每年必須精準(zhǔn)捕捉的“黃金窗口”。一旦確認(rèn)，秧苗會(huì)被立即移入人工氣候室，開啟為期7天、溫差15±0.5℃的低溫冷脅迫處理；時(shí)間一到，它們又會(huì)被迅速轉(zhuǎn)移回盆栽場(chǎng)繼續(xù)生長(zhǎng)。
曹曉風(fēng)（左二）、宋顯偉（左一）、孟英（右二）和郭振華在查看水稻耐冷性品系結(jié)實(shí)情況。
這樣的工作，他們重復(fù)了12年。有時(shí)極端低溫襲來(lái)，已進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期的水稻材料一夜報(bào)廢；有時(shí)老鼠半夜啃苗，他們會(huì)拿著掃帚趕老鼠。沒人知道這項(xiàng)研究能不能成功，會(huì)不會(huì)有發(fā)表的一天，但這群人仍然選擇堅(jiān)持。
前不久，這場(chǎng)持續(xù)12年的“馬拉松長(zhǎng)跑”終于迎來(lái)終點(diǎn)——他們的研究成果發(fā)表于《細(xì)胞》。在中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱遺傳發(fā)育所）曹曉風(fēng)院士的帶領(lǐng)下，研究員宋顯偉與博士后唐善杰、黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作與栽培研究所研究員孟英、中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所副研究員劉暉等合作，為生物學(xué)領(lǐng)域一個(gè)持續(xù)了200多年的爭(zhēng)論——拉馬克學(xué)說(shuō)，在分子層面提供了首個(gè)實(shí)證，也為作物抗逆改良開辟了新途徑。
“這是我們12年來(lái)發(fā)表的唯一一篇論文，每年都在做投資，大家壓力也很大。實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺晒Γ靡嬗谒谐蓡T的堅(jiān)持和努力。”曹曉風(fēng)在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。
育苗床的水稻苗。
一場(chǎng)科學(xué)冒險(xiǎn)：挑戰(zhàn)200年懸案
對(duì)曹曉風(fēng)團(tuán)隊(duì)和合作者來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)不啻為一場(chǎng)冒險(xiǎn)，他們?cè)噲D為爭(zhēng)論了200多年的拉馬克學(xué)說(shuō)找到分子層面的直接證據(jù)。
法國(guó)生物學(xué)家拉馬克在19世紀(jì)初提出了兩個(gè)著名的生物進(jìn)化觀點(diǎn)——用進(jìn)廢退和獲得性遺傳。拉馬克設(shè)想，生物經(jīng)常使用的器官會(huì)逐漸發(fā)達(dá)，不使用的則會(huì)退化；且生物在后天環(huán)境中獲得的適應(yīng)性性狀，有可能傳遞給后代。最廣為人知的例子便是長(zhǎng)頸鹿，它們?yōu)槌缘礁咛幍臉淙~，不斷伸長(zhǎng)脖子，這一后天鍛煉出的長(zhǎng)脖子，也能遺傳給后代。
然而，拉馬克的觀點(diǎn)卻被認(rèn)為與達(dá)爾文“基因隨機(jī)突變+自然選擇”的演化論相悖。由于長(zhǎng)期缺乏直接的分子證據(jù)，拉馬克學(xué)說(shuō)逐漸被生物學(xué)界邊緣化，甚至被不少人視為進(jìn)化理論史上“美麗的錯(cuò)誤”。直到近些年，表觀遺傳學(xué)研究的興起才讓拉馬克學(xué)說(shuō)重獲關(guān)注。
“DNA序列不變，性狀也能改變，這就是表觀遺傳學(xué)的基本內(nèi)涵。”曹曉風(fēng)解釋道，“在DNA的4種堿基（G、A、T、C）中，胞嘧啶（C）會(huì)發(fā)生甲基化修飾，形成甲基胞嘧啶。這種甲基化水平的增加或減少，直接影響基因的表達(dá)效率或染色體結(jié)構(gòu)，從而改變生物性狀。”
表觀遺傳學(xué)是曹曉風(fēng)的“老本行”，她從20世紀(jì)90年代就開始相關(guān)研究。2012年，她與西北工業(yè)大學(xué)教授王文的一次對(duì)話，直接催生了上述持續(xù)12年的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，在云南濤源鎮(zhèn)一場(chǎng)“863”項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)上，研究進(jìn)化基因組學(xué)的王文饒有興致地說(shuō)，當(dāng)?shù)厮境弋a(chǎn)的特性或許與獲得性遺傳有關(guān)。曹曉風(fēng)回應(yīng)：“這個(gè)問題很有趣。但單靠一個(gè)案例無(wú)法充分證明，如果證實(shí)環(huán)境能誘導(dǎo)可穩(wěn)定遺傳的適應(yīng)性變化，將極具價(jià)值。”
兩人合計(jì)后，曹曉風(fēng)決定開展一場(chǎng)“水稻南種北移”的耐冷性馴化實(shí)驗(yàn)：通過(guò)多代冷脅迫，從不耐冷水稻中篩選獲得耐冷性株系，從而探索其在快速環(huán)境變化中的適應(yīng)與遺傳分子機(jī)制。
“依靠DNA序列變異實(shí)現(xiàn)這種適應(yīng)，往往非常慢?！辈軙燥L(fēng)說(shuō)，“但表觀遺傳變異的速率比DNA序列突變至少快1萬(wàn)倍，它不改變基因序列，卻能調(diào)控性狀?！币簿褪钦f(shuō)，若水稻通過(guò)表觀遺傳變異獲得耐冷性，并能穩(wěn)定遺傳，就為拉馬克學(xué)說(shuō)提供了分子生物學(xué)證據(jù)。
播種育苗。
一年兩萬(wàn)個(gè)飲料杯里“淘寶”
2013年，實(shí)驗(yàn)正式啟動(dòng)。宋顯偉、孟英與遺傳發(fā)育所技術(shù)員郭振華等開始在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的人工氣候溫室內(nèi)進(jìn)行水稻耐冷性狀篩選。
“我們的思路很清晰，在孕穗期對(duì)不耐冷的水稻進(jìn)行冷脅迫馴化，選擇每一代耐冷性提高的稻穗，收獲、播種、篩選，如此循環(huán)往復(fù)，直到馴化出穩(wěn)定的耐冷材料。”宋顯偉說(shuō)。
但實(shí)操卻是一場(chǎng)極為煩瑣的持久戰(zhàn)。每年4月，團(tuán)隊(duì)成員和附近的老百姓將種子播入苗床育苗。30天后，他們把秧苗一棵棵移栽至飲料杯——每年要種兩萬(wàn)杯。7月是低溫馴化的關(guān)鍵期，他們每天清晨下田“摸穗”，標(biāo)記判定進(jìn)入孕穗期的植株后，將其送入人工氣候室進(jìn)行冷處理。
“那幾年真是愁得睡不著?！泵嫌⒒貞?，“由于氣候室只有4間，且有多個(gè)實(shí)驗(yàn)輪候，水稻到了處理關(guān)鍵時(shí)期卻無(wú)處安置，急得人掉眼淚?！?/p>
溫度控制更是極為苛刻，冷處理強(qiáng)度不夠，篩不出真正耐冷的水稻，而溫度過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致“全軍覆沒”?！坝幸荒陿O端低溫，所有材料都凍死了，一粒種子都沒留下?！辈軙燥L(fēng)輕描淡寫的一句話背后，藏著團(tuán)隊(duì)不得不從頭再來(lái)的無(wú)奈。
不止于此，苗期要防病、防寒，生長(zhǎng)期需嚴(yán)格控制杯中的土肥比例和灌水量，冷處理期間每株秧苗進(jìn)出氣候室的時(shí)間都要精確記錄……“工作量極大，每年曹老師、宋老師、我們團(tuán)隊(duì)以及課題組學(xué)生齊上陣。”孟英告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
希望出現(xiàn)在2015年，那時(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到了第三代。宋顯偉記得，一次低溫處理后，一個(gè)稻穗冷處理后代的結(jié)實(shí)率顯著提高?！拔覀儼阉姆N子播下去，發(fā)現(xiàn)所有株的耐冷性都提高了。那一刻我們就知道成功了！它獲得可穩(wěn)定遺傳的耐冷性了！”
曹曉風(fēng)（右四）與黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作與栽培研究所所長(zhǎng)李柱剛（右三）等在查看秧苗生長(zhǎng)情況。
但真正的挑戰(zhàn)才剛剛開始：如何證明這種耐冷性的表型差異源于表觀遺傳而非基因序列變化？
“這就像找同卵雙胞胎的不同之處——DNA序列完全一樣，只能通過(guò)多組學(xué)分析及表觀遺傳編輯技術(shù)一點(diǎn)點(diǎn)篩查?！?曹曉風(fēng)解釋。團(tuán)隊(duì)隨即對(duì)“馴化系”（耐冷水稻）與“原始系”（不耐冷水稻）展開全基因組、甲基化組、轉(zhuǎn)錄組、染色質(zhì)可及性等多組學(xué)測(cè)序，并與擅長(zhǎng)生物信息分析的劉暉合作，進(jìn)行多組學(xué)對(duì)比分析。
2018年，實(shí)驗(yàn)進(jìn)入第六年，團(tuán)隊(duì)從近3萬(wàn)個(gè)水稻基因中篩選出12個(gè)候選基因，并初步錨定了一個(gè)基因ACT1。如何證明它，是研究團(tuán)隊(duì)面臨的又一難題。此時(shí)，正在攻讀博士學(xué)位的唐善杰接過(guò)“接力棒”，通過(guò)表觀編輯技術(shù)層層排查，終于證實(shí)ACT1基因啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化丟失是觸發(fā)耐冷性的“關(guān)鍵開關(guān)”。
“我們用CRISPR-dCas9介導(dǎo)的表觀編輯技術(shù)做了驗(yàn)證：精準(zhǔn)去除ACT1基因的甲基化，原本不耐冷的水稻會(huì)變成耐冷品種；恢復(fù)這個(gè)區(qū)域的甲基化，耐冷性就會(huì)消失?！碧粕平苷f(shuō)。
更重要的是，這種由環(huán)境誘導(dǎo)、甲基化調(diào)控的耐冷性，能穩(wěn)定遺傳至少五代。“這正是拉馬克學(xué)說(shuō)的核心——環(huán)境誘導(dǎo)的有益性狀，可以穩(wěn)定傳遞?！彼物@偉說(shuō)。
曹曉風(fēng)（右一）、宋顯偉（右二）、郭振華（右三）和課題組的學(xué)生們?cè)跍y(cè)量葉枕距，了解水稻生長(zhǎng)狀態(tài)，并掛記錄標(biāo)牌。受訪者供圖
科研沒有捷徑
這項(xiàng)歷時(shí)12年的研究一經(jīng)發(fā)表就迅速引起全球進(jìn)化、表觀遺傳領(lǐng)域的廣泛關(guān)注?！都?xì)胞》審稿人評(píng)價(jià)其“超越傳統(tǒng)進(jìn)化論框架，為適應(yīng)性進(jìn)化提供了新范式”。
《現(xiàn)代農(nóng)業(yè)》期刊同一時(shí)間邀請(qǐng)進(jìn)化、表觀、逆境三大領(lǐng)域頂級(jí)專家進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，認(rèn)為該研究“為理解環(huán)境與遺傳的互動(dòng)提供了全新視角”?！蹲匀弧贰吨参飳W(xué)報(bào)（英文版）》《分子植物》等期刊相繼發(fā)文進(jìn)行評(píng)述。
回顧12年研究路，宋顯偉坦言，最初并沒有十足把握。“但科研就是這樣，一旦有了想法、設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)，就要堅(jiān)持下去?！?/p>
事實(shí)上，成果發(fā)表的過(guò)程同樣充滿波折?！皩徃迦嗽笪覀冏鼋然蛳祵?shí)驗(yàn)，但我們的‘馴化系’和‘原始系’DNA序列完全一樣，無(wú)法滿足這一要求，最初的投稿甚至被直接拒收?！辈軙燥L(fēng)說(shuō)，“后來(lái)我們補(bǔ)做了大量實(shí)驗(yàn)，單是解釋‘為什么無(wú)法做近等基因系’，就和審稿人來(lái)回溝通了無(wú)數(shù)次?！?/p>
“基礎(chǔ)研究就是這樣，要回答懸而未決的問題，必須經(jīng)得起嚴(yán)苛考驗(yàn)?！辈軙燥L(fēng)說(shuō)。
在宋顯偉看來(lái)，“科研沒有捷徑。能為一個(gè)懸了200年的學(xué)說(shuō)找到證據(jù)，再難也值得”。
這項(xiàng)研究不僅為200年科學(xué)爭(zhēng)議提供了實(shí)證，在農(nóng)業(yè)育種與品種鑒定方面也有用武之地?！巴ㄟ^(guò)表觀遺傳編輯工具可快速產(chǎn)生抗旱、耐寒等性狀顯著提升的作物新種質(zhì)?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、植物逆境研究專家種康評(píng)價(jià)說(shuō)。以我國(guó)東北稻區(qū)為例，該區(qū)域?qū)儆诤畢^(qū)，冷害頻發(fā)，黑龍江省已將水稻耐冷性作為稻米新品種審定的重要指標(biāo)——解析水稻響應(yīng)低溫的分子機(jī)制，正是滿足國(guó)家農(nóng)業(yè)需求的關(guān)鍵。
在品種鑒定方面，曹曉風(fēng)補(bǔ)充道：“如果兩個(gè)種子像同卵雙胞胎一樣擁有相同的DNA序列，今后的品種鑒定，除了DNA序列分析，還需增加表觀遺傳學(xué)鑒定——這對(duì)保護(hù)育種知識(shí)產(chǎn)權(quán)、規(guī)范育種標(biāo)準(zhǔn)有重要意義?！?/p>
不過(guò)，曹曉風(fēng)表示，表觀遺傳的不穩(wěn)定性仍會(huì)限制其在長(zhǎng)期進(jìn)化中的作用，這也是后續(xù)研究中有待進(jìn)一步解決的問題。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.036
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2025-09-11 第1版 要聞)
編輯 | 趙路
排版 | 志海
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