當我們想到作物適應環境，通常會想到基因突變或人工育種，但有沒有可能，不改變基因序列，就能讓作物獲得新的適應能力？最近一篇發表於《Cell》期刊的研究，發現了一個令人驚奇的現象：水稻在經歷多代冷害後，可以透過DNA甲基化的改變，獲得並傳遞耐冷的技能。
這種現象不只挑戰了傳統的遺傳學觀念，還讓我們重新思考表觀遺傳（epigenetics）在作物適應性演化中的角色。
水稻原產於熱帶亞洲，對低溫特別敏感，尤其若在開花期遇到冷害，會嚴重影響結實率。但是，數千年、萬年來，也發展出了比較耐冷的稉稻。因此，研究團隊想問一個問題：
能不能透過環境壓力（冷害）來誘發水稻本身的表觀遺傳變化，進而產生耐冷性？而這種變化能否穩定遺傳？
為了要進行這個實驗，研究團隊選取了一個對冷害特別敏感的水稻品系「KD8」做為材料，進行以下實驗：
他們在每一代的水稻處於「減數分裂期」（特別敏感的生殖階段），都給予冷害處理。然後，選出結實率最高的植株繼續繁殖。
這樣處理過三代後，他們發現水稻的耐冷性顯著提升，並且即使不再進行冷害處理，這種耐冷性還是可以穩定傳給後代。
接著，當然就是要找出耐冷背後的分子機制囉！首先他們進行了基因體比對，將新品系與祖先一起比較。結果發現，耐冷系與原品系的基因序列幾乎完全一致，所以新品系的耐冷並不是來自基因突變。
然後，他們分析DNA甲基化（methylation）的變化。他們發現，有一個名為ACT1的基因在耐冷品系中上游區域的一段37 bp序列（位置大約在從轉錄起始點開始往上第1549到第1513個鹼基）出現了顯著的DNA去甲基化。
進一步的分析發現，這種低甲基化讓ACT1在冷害下仍能持續表現，而一般高甲基化的品系在冷害下ACT1會被關閉。
為了要確認ACT1的確就是造成這個現象的主因，研究團隊使用DNA甲基化編輯技術（SunTag系統），將原本敏感品系KD8的ACT1基因的啟動子區域給去甲基化，結果發現耐冷性提升。
反過來，當他們把耐冷系的ACT1基因的啟動子區域給重新甲基化，耐冷性就消失了。
更有意思的是，他們還分析了中國各地的水稻品系，發現高緯度地區的耐冷品系，大多帶有ACT1低甲基化，低緯度則多為高甲基化型。
ACT1是什麼？為什麼重要？
ACT1是一種阿拉伯半乳聚醣蛋白（AGP1），它是一種細胞外結構蛋白，能夠結合鈣離子，可能參與冷害訊號的感受與傳遞。
那麼，誰負責控制ACT1的甲基化呢？
他們檢查了許多DNA甲基轉移酶在冷害處理下的表現。
結果發現，在冷害處理下，MET1b（DNA甲基轉移酶1b）與CMT3（CHG甲基轉移酶）的表現量都顯著下降。這意味著冷害可能抑制了這些酶的活性，使得ACT1的甲基化無法維持，進而導致去甲基化的發生。
接著，他們使用RNA干擾技術（RNAi）針對MET1b與CMT3進行基因沉默。
結果發現，只有在MET1b被沉默時，ACT1的甲基化模式才會與耐冷品系中的甲基化變化高度相似，尤其在那一段37 bp區域。而且這種甲基化變化不是隨機的，而是定位且一致發生在ACT1啟動子上游的特定位點。
他們也檢查了是否有小RNA（如24-nt siRNA）參與這段區域的甲基化的可能，但結果顯示這個區域並裡面沒有小RNA的標靶序列，因此推論MET1b的表現量下降是ACT1去甲基化的主要原因。
總而言之，冷害抑制了MET1b的表現，導致ACT1這個關鍵基因的去甲基化，進而讓水稻獲得耐冷性，而這種表觀變化能穩定遺傳下去。
不過，要表現ACT1當然還需要有其他的基因；到底是什麼樣的因子主管ACT1的表現，而且這個過程還會因為ACT1的甲基化而受到影響呢？
研究團隊分析ACT1 基因啟動子區域，結果他們發現，在這個區域中有一個 Dof1 的結合位點（motif），而且這個位點剛好位於冷敏感品系的「高甲基化」區域內。
研究團隊以EMSA（電泳遷移率位移分析）測試後發現， Dof1 可以結合未甲基化的 DNA 片段，但若該片段高度甲基化，則Dof1結合的能力會顯著下降。
另外，透過ChIP-qPCR（染色質免疫沉澱分析）也發現，Dof1 在低甲基化品系中更容易結合到 ACT1 啟動子。
當他們把Dof1基因剔除時，他們發現Dof1 基因突變株（KO）在冷害下表現出 ACT1 表現降低、結實率下降，證明 Dof1 確實參與 ACT1 調控。
另外，他們也觀察到在冷害發生時，Dof1 表現量上升，ACT1 也上升（如果是低甲基化型），也就是說，這兩個基因之間也形成了一個冷反應路徑。
這讓我們看到一個全新的耐冷路徑：
冷害 → MET1b（DNA甲基轉移酶）表現量下降 → ACT1去甲基化 → ACT1表現穩定 → 耐冷性提升。
冷害 → Dof1 表現量增加 →（如果ACT1啟動子是低甲基化狀態）Dof1結合ACT1 → ACT1現量上升 → 耐冷性提升。
這是少數直接證明環境壓力能誘發表觀遺傳變化，並且能穩定遺傳下去。而且，這個變化具有適應意義，支持「獲得性遺傳」（inheritance of acquired characteristics）的可能性，也讓我們重新思考拉馬克（Lamarck）理論在現代的角色。
也就是說，「冷害能夠誘發水稻特定基因（ACT1）的DNA去甲基化，讓水稻獲得並傳遞耐冷性，而這種表觀遺傳變化不改變基因序列，卻能改變性狀。」這當然也意味著，未來科學家們有可能可以透過運用表觀遺傳編輯技術，達成不改變基因序列，就能培育出耐冷品系的目的。
這是表觀遺傳學、作物適應性演化與農業應用研究上的一大突破！個人覺得，這個研究成果也（至少部分）證實了為什麼地方品系（landrace）通常在當地的表現都會不錯/特別好的原因。
參考文獻：
Song, X., Tang, S., Liu, H., Meng, Y., Luo, H., Wang, B., Hou, X.-L., Yan, B., Yang, C., Guo, Z., Wang, L., Jiang, S., Deng, X., & Cao, X. (2025). Inheritance of acquired adaptive cold tolerance in rice through DNA methylation. Cell, 188(8), 1–12. https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.036
