摘要：19世纪初，法国生物学家拉马克提出“用进废退”和“获得性遗传”理论，认为生物通过后天环境适应获得的性状可以遗传给后代。然而，这一理论因缺乏分子机制证据而被达尔文自然选择学说取代。近年来，表观遗传学的兴起为获得性遗传提供了新的科学视角，揭示了环境通过非DNA序列

19世纪初，法国生物学家拉马克提出“用进废退”和“获得性遗传”理论，认为生物通过后天环境适应获得的性状可以遗传给后代。然而，这一理论因缺乏分子机制证据而被达尔文自然选择学说取代。近年来，表观遗传学的兴起为获得性遗传提供了新的科学视角，揭示了环境通过非DNA序列改变调控基因表达并跨代传递的可能性，从而在分子层面为拉马克理论提供了部分支持。

表观遗传调控（Epigenetic Regulation）

在不改变DNA序列的前提下，通过DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA等方式调控基因表达，且部分修饰可跨代传递。核心机制包括：

DNA甲基化：在基因启动子区域的胞嘧啶，胞嘧啶（CG/CHG/CHH）添加甲基基团，常抑制基因表达。

组蛋白修饰：组蛋白乙酰化通过中和正电荷减弱与DNA结合，促进转录激活；甲基化则可能抑制或激活基因，取决于修饰位点（如H3K4me3激活，H3K27me3抑制）。

RNA干扰：小RNA通过结合mRNA诱导降解或抑制翻译，如矮牵牛花花色变异。

染色体重塑：通过ATP依赖的复合体改变核小体位置，例如X染色体失活中的剂量补偿效应。

获得性遗传的理论争议与调和

达尔文主义与拉马克主义的百年之争

基因中心论：传统遗传学认为遗传信息仅通过DNA序列传递，突变是自然选择的唯一原材料。荷兰“饥饿冬季”研究显示，经历饥荒的母亲其后代代谢疾病风险升高，但当时无法解释非DNA序列的遗传机制。

拉马克假说：主张环境诱导的性状可通过生殖细胞传递，但长期缺乏分子证据。例如，拉马克认为长颈鹿主动伸长脖子导致后代颈长增加，这一“主观适应”机制被证伪。

表观遗传学的理论突破与局限

表观遗传学部分支持获得性遗传，但存在本质差异：

非主观性：修饰由环境被动触发而非生物主动选择。如小鼠恐惧反应通过精子甲基化传递三代，但非个体意志驱动。

遗传不稳定性：大多数表观标记在几代后逐渐丢失。例如小鼠应激反应仅维持2-3代。

与自然选择的协同：水稻ACT1低甲基化表观等位基因在高纬度地区被自然选择保留，体现两种机制的互补。

机制：环境信号→表观修饰→基因表达改变→性状形成→生殖细胞传递表观标记→子代继承性状。

表观遗传学的关键证据

植物适应性进化

水稻耐寒性：低温胁迫诱导ACT1启动子去甲基化，经五代筛选后稳定遗传，基因组测序排除DNA突变。

跨代抗逆性：拟南芥母本经历盐胁迫后，子代存活率提高，甲基化通过卵细胞传递而花粉不传递。

动物行为遗传

认知改善传递：母代小鼠在丰富环境中获得的认知能力通过精子甲基化传递给子代，即使未经历相同环境。

恐惧反应遗传：电击诱导的恐惧记忆通过精子miRNA影响三代小鼠的应激激素水平。

人类流行病学研究

荷兰饥荒效应：孕期经历饥荒的母亲，孙辈代谢疾病风险显著升高，提示营养压力通过DNA甲基化跨代传递。

吸烟与甲基化：吸烟者精子DNA甲基化水平升高导致后代活力下降，但戒烟后可逆转。

跨物种保守机制

线虫的生存记忆：接触有毒细菌的线虫后代通过RNA干扰机制四代内回避同类细菌。

果蝇饮食遗传：父代高糖饮食通过组蛋白H3K9/K27甲基化影响子代甘油三酯水平

研究案例的范式意义——水稻通过DNA甲基化获得适应性耐冷性及其遗传机制

水稻作为起源于热带地区的作物，其向高纬度地区的扩散需要克服低温胁迫的挑战，尤其是生殖生长期对低温敏感的特性严重制约了产量与地理分布。传统遗传学理论难以完全解释水稻在短期内适应寒冷环境的机制，而表观遗传调控因其对环境信号的快速响应和跨代遗传潜力，成为解析这一适应性进化的关键突破口。中国科学院遗传与发育生物学研究所宋显伟、曹晓风团队通过多学科交叉研究，首次揭示了环境胁迫诱导的DNA甲基化变异介导水稻耐冷性获得与稳定遗传的分子机制，为拉马克"获得性遗传"理论提供了直接证据，并为作物抗逆育种提供了新思路。

这篇水稻研究为"环境诱导表观变异→性状获得→稳定遗传"提供了完整证据链：

环境诱导

连续多代冷胁迫（15℃）作用于冷敏感粳稻品种KD8生殖期，模拟高纬度自然选择压力，筛选获得稳定耐冷品系KD8-4C。耐寒性可稳定遗传至少五代，且呈显性遗传。

表观变异机制

靶基因：

KDB-4C 与 KDB-4N（对照）基因组高度保守，仅存在877个 SNP/Indel，其中仅1个非同义突变与表型无相关性，排除了遗传变异主导的可能性。

转录组和甲基化组联合分析锁定ACT1（阿拉伯半乳糖蛋白基因）基因，其启动子低甲基化与耐寒性相关。ACT1启动子区-1549~-1513 bp发生CG/CHG低甲基化，恢复KD8-4C的甲基化则使耐冷性丧失。

调控通路：

Dof1转录因子：冷胁迫诱导Dof1表达，其结合位点（-1519 CHG）甲基化阻碍结合。低甲基化促进Dof1结合，激活ACT1表达。

钙信号：ACT1编码的AGP1可能通过结合Ca²⁺形成"AGP-Ca²⁺电容器"，参与冷信号感知与传递。

甲基化起源：

冷胁迫下调甲基转移酶MET1b，导致ACT1启动子CG甲基化维持缺失，且无24-nt siRNA介导的从头甲基化补偿，形成稳定hypo-ACT1表观等位(epialles)。

遗传稳定性

这种胁迫诱导的表观变异在连续多代胁迫中被强化和固定，构成适应性进化的重要驱动力。无需持续冷胁迫，hypo-ACT1等位可稳定遗传≥5代。

自然变异与适应性进化

地理分布关联：hypo-ACT1频率与耐冷性显著正相关。

人工选择证据：自然群体中hypo-ACT1频率与纬度呈正相关（北方品种72% vs 南方

该研究的理论突破在于首次将环境胁迫、表观变异和自然选择置于同一框架，阐明"胁迫-表观重塑-适应性进化"的完整通路，为表观遗传参与物种分布扩张提供了范式。应用层面，ACT1甲基化状态可作为分子标记指导高纬度育种，而表观编辑技术可规避转基因争议，直接创制耐冷新种质。此外，研究提出的AGP1-Ca²⁺电容器模型为植物冷感知机制提供了新视角，其可能通过调控细胞壁-质膜互作和钙信号传递增强低温适应性。

表观遗传对现代进化理论的革新

表观遗传学的突破重塑了进化理论的认知框架。它证明生命不仅依赖DNA序列的静态编码，更拥有动态的“环境应答系统”——通过甲基化、组蛋白修饰等机制，生物既能快速适应变化，又能将生存经验以表观密码的形式跨代传递。尽管这一机制尚无法完全“复活”拉马克主义，但其作为达尔文理论补充的价值已毋庸置疑。未来研究需进一步解析表观标记的稳定遗传机制，以及其与基因组进化的协同规律，从而更完整地揭示生命适应环境的奥秘。

来源：人工智能学家