Холодоустойчивый рис подтвердил теорию Ламарка
Китайские исследователи недавно обнаружили молекулярные доказательства, подтверждающие ламаркизм — давно обсуждаемую теорию начала XIX века, согласно которой приобретенные характеристики могут передаваться по наследству.
эксклюзив 🔹
Доказательства обнаружены в новом исследовании ученых из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук, которые расшифровали эволюционные закономерности адаптации к холоду во время расширения риса на север. Исследование было опубликовано в журнале Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2025.04.036
Под руководством профессора Цао Сяофэна исследователи продемонстрировали, что метилирование ДНК — форма эпигенетической изменчивости или изменения экспрессии генов — опосредует трансгенерационное наследование приобретенной холодоустойчивости у риса, подтверждая теорию Ламарка.
В этом исследовании ученые проследили эволюционную траекторию риса по мере его распространения на север в более холодный климат.
С помощью инновационной многопоколенческой системы скрининга холодового стресса, нацеленной на чувствительную к холоду стадию мейоза развития риса, они применили направленный отбор в течение трех поколений, выявляя и выводя те растения риса, которые лучше всего переносили холод.
Этот подход дал стабильные линии риса со значительно улучшенной устойчивостью к холоду, обусловленной признаками, показывающими доминирующие модели наследования. И устойчивость сохранялась по крайней мере в течение пяти поколений, даже после того, как стрессовое состояние было устранено.
Мультиомные анализы выявили гипометилирование в промоутере ACT1 (ген, кодирующий белок арабиногалактана) как критическую эпигенетическую вариацию.
Исследователи использовали систему редактирования метилирования ДНК для точной модификации метилирования промоутера гена белка арабиногалактана ACT1. При этом они добились направленной регуляции толерантности к холоду и подтвердили, что вызванное холодом гипометилирование в промоутере снимает подавление экспрессии ACT1, доказывая причинную роль эпигенетической вариации.
Чтобы раскрыть молекулярную основу этой эпигенетической регуляции, ученые затем изучили лежащий в ее основе механизм. Они показали, что холодовой стресс подавляет экспрессию ДНК-метилтрансферазы MET1b, нарушая поддержание метилирования на промоторе ACT1 и приводя к образованию гипометилированного эпиаллеля.
Дальнейшие исследования показали, что область вариации метилирования промотора ACT1 содержит сайт связывания для активатора транскрипции Dof1, занятость которого чувствительна к статусу метилирования ДНК. Нокаутирование Dof1 значительно снижает толерантность к холоду на стадии высадки, устанавливая регуляторный каскад холодового стресса → снижение регуляции MET1b → деметилирование промотора ACT1 → усиление связывания Dof1 → активация ACT1 → улучшение толерантности к холоду.
Анализ естественных вариаций показал, что, хотя кодирующие последовательности ACT1 были высококонсервативными, его статус метилирования ДНК демонстрировал полиморфизм, тесно связанный с устойчивостью к холоду.
Среди 131 местных сортов из трех основных регионов выращивания риса в Китае, более 88% сортов из южных и центральных регионов несли гиперметилированный ACT1, тогда как сорта из холодного северо-восточного региона были значительно обогащены гипометилированным ACT1.
Этот градиент метилирования «юг-высокий, север-низкий» предполагает, что эпигенетическая вариация ACT1 была ключевой целью отбора во время одомашнивания риса и его географической экспансии.
Систематически объясняя роль вызванных холодом эпигенетических изменений в адаптации риса, данное исследование не только обосновывает молекулярный механизм быстрой адаптации к окружающей среде, но и предоставляет убедительную поддержку неменделевским теориям наследования, долгое время исключенным из основной эволюционной биологии.
Рецензенты приветствовали работу, заявив: «Эта возможность имеет значение для понимания адаптивных процессов и намекает на механизмы, которые находятся за пределами традиционной дарвиновской парадигмы».
Помимо теоретических выводов, исследование также представляет практическую основу для улучшения сельскохозяйственных культур. Ученые предлагают новую стратегию селекции — «стрессовое одомашнивание → эпигенетическая идентификация вариантов → точное редактирование» — для разработки стрессоустойчивых сельскохозяйственных культур. Этот подход предлагает многообещающий путь решения сельскохозяйственных проблем, вызванных глобальным изменением климата.
Источник: Chinese Academy of Sciences. Автор: Чжан Наньнань.
На графике: многопоколенческий холодовой стресс вызывает наследуемое гипометилирование промотора ACT1, что позволяет рису приобретать устойчивость к холоду для адаптации к высоким широтам. Источник: IGDB.
