清晨五點，七月的哈爾濱還沉浸在靜謐之中。宋顯偉、孟英和同事們已抵達水稻盆栽試驗場，俯身仔細查看一株株稻苗的生長狀態，判斷是否進入孕穗期——這是水稻對低溫最敏感的關鍵階段，也是他們每年必須精準捕捉的“黃金窗口”。一旦確認，他們便立即將秧苗移入人工氣候室，開啟為期7天、溫差控制在15±0.5℃以內的低溫進行冷脅迫處理。時間一到，再迅速轉移回盆栽場繼續生長。
這樣的行為，他們重復了12年。有時極端低溫襲來，已長到關鍵時期的水稻材料一夜報廢；有時老鼠半夜啃苗，他們拿著掃帚趕老鼠；趕不走老鼠，他們就買來捕鼠夾，放上烤肉串設下“陷阱”，這樣一來還真夾了好幾只大老鼠！
沒人知道這項研究能不能成功，會不會有發表的一天。在無數個看不見光亮的時日子里，這群人選擇堅持。
直到不久前，故事終于迎來結局——他們的研究成果發表在《細胞》雜志。在中國科學院遺傳與發育生物學研究所（以下簡稱遺傳發育所）曹曉風院士的帶領下，該所研究員宋顯偉與博士后唐善杰、黑龍江省農業科學院耕作與栽培研究所研究員孟英、中國科學院昆明植物研究所副研究員劉暉等合作，用一場持續12年的“馬拉松長跑”，為生物學領域一個懸置了200多年的爭論——拉馬克學說，在分子學層面提供了首個實證證據，也為作物抗逆改良開辟了新途徑。
“從一開始研究到現在，我們一篇文章都沒有發，每年都在做投資，大家壓力也很大。實驗能夠成功，得益于所有成員的堅持和努力。”曹曉風在接收《中國科學報》采訪時說。
一場科學冒險：挑戰兩百年的懸案
對曹曉風團隊和合作者來說，這項科學實驗不啻為一場冒險——他們試圖為爭論了200多年的“拉馬克學說”找到分子層面的直接證據。
拉馬克其人，是生于18世紀的一名法國生物學家。他在19世紀初提出了兩個著名的生物進化觀點：用進廢退和獲得性遺傳。拉馬克設想，生物經常使用的器官會逐漸發達，不使用則會退化；且生物在后天環境中獲得的適應性性狀，有可能傳遞給后代。最廣為人知的例子便是長頸鹿：為吃到高處的樹葉，不斷伸長脖子，這一后天鍛煉出的長脖子，也能遺傳給后代。
這一觀點看似直觀，卻被認為與達爾文“基因隨機突變+自然選擇”的演化論相悖。特別是由于長期缺乏直接的分子證據，拉馬克學說逐漸被生物學界邊緣化，甚至被不少人視為進化理論史上“美麗的錯誤”。
直到近年來，表觀遺傳學研究的興起讓拉馬克學說重新引發關注。“DNA序列不變，性狀也能改變，這就是表觀遺傳學的基本內涵。”曹曉風解釋道，“在DNA的4種堿基（G、A、T、C）中，胞嘧啶（C）會發生甲基化修飾，形成甲基胞嘧啶。這種甲基化水平的增加或減少，會直接影響基因的表達效率或染色體結構，從而改變生物性狀。”
表觀遺傳學是曹曉風的“老本行”，她從二十世紀九十年代起就在開展相關研究。2012年，她與西北工業大學教授王文的一次對話，直接催生了這項持續十二年的實驗。當時，在云南濤源鎮一場“863”項目啟動會上，研究進化基因組學的王文饒有興致地說，當地水稻超高產的特性或許與“獲得性遺傳”有關。曹曉風回應：“這個問題很有趣。但單靠一個案例無法充分證明，如果能證實環境能誘導可穩定遺傳的適應性變化，將極具價值。”
兩人合計后，曹曉風決定開展一場“水稻南種北移”的耐冷性馴化實驗：將不耐冷水稻移通過多代冷脅迫，篩選獲得耐冷性的株系，從而探索其在快速環境變化中的適應與遺傳的分子機制。
“依靠DNA序列變異實現這種適應，往往非常慢。”曹曉風說，“但表觀遺傳變異的速率比DNA序列突變快至少1萬倍，它不改變基因序列，卻能調控性狀。”也就是說，若水稻通過表觀遺傳變異獲得耐冷性，并能穩定遺傳，就為拉馬克學說提供了分子生物學證據。
一年2萬個飲料杯里“淘寶”
2013年，實驗正式啟動。宋顯偉、孟英與遺傳發育所技術員郭振華等開始在黑龍江省農業科學院的人工氣候溫室內進行水稻耐冷性狀篩選。
“思路很清晰：在孕穗期，對不耐冷的水稻進行冷脅迫馴化，選擇每一代耐冷性提高的稻穗，收獲、播種、篩選，如此循環往復，直到被馴化成穩定的耐冷材料。”宋顯偉說。
但實操卻是一場極為繁瑣浩大的持久戰。每年四月，團隊成員和附近的老百姓將種子播入苗床育苗。三十天后，他們把秧苗一棵棵移栽至飲料杯——每年要種兩萬杯。七月是低溫馴化的關鍵期，他們每天清晨下田“摸穗”，判定進入孕穗期的植株后立即標記后，送入人工氣候室進行冷處理。
“那幾年真是愁得睡不著。”孟英回憶，“氣候室只有四間，多個實驗輪候，水稻到了處理關鍵時期，氣候室卻地方有限無處安置，急得人掉眼淚。”
溫度控制更是極為苛刻：冷處理強度不夠，篩不出真正耐冷的水稻；溫度過低，會導致“全軍覆沒”。“有一年極端低溫，所有材料都凍死了，一粒種子都沒留下。”曹曉風輕描淡寫的一句話，研究團隊卻有著不得不從頭再來的無奈。
不止如此，苗期要防病防寒，生長期需嚴格控制杯中的土肥比例和灌水量，冷處理期間每株秧苗進出氣候室的時間都要精確記錄……“工作量極大，每年曹老師、宋老師、我們團隊以及課題組學生都全員撲上。”孟英告訴《中國科學報》說。
希望出現在2015年，實驗進行到第三代時。宋顯偉記得，一次低溫處理后，一個稻穗冷處理后代的結實率顯著提高。“我們把它的種子播下去，發現所有株的耐冷性都提高了。那一刻我們就知道，成了！它獲得了可穩定遺傳的耐冷性了！”
但真正的挑戰才剛剛開始：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，只能通過多組學分析及表觀遺傳編輯技術，一點點篩查。” 曹曉風解釋。團隊隨即對“馴化系”（耐冷水稻）與“原始系”（不耐冷水稻）展開全基因組測序、甲基化組、轉錄組、染色質可及性等多組學的測序，并與擅長生物信息分析的中國科學院昆明植物研究所的副研究員劉暉合作，進行多組學的對比分析。
2018 年，實驗進入第六年，團隊從近3萬個水稻基因中篩選出12個候選基因，并初步錨定了一個基因ACT1。如何證實它，是擺在研究團隊的又一難題。此時，正在攻讀博士學位的唐善杰接過“接力棒”，通過表觀編輯技術層層排查，終于證實ACT1 基因啟動子區域的甲基化丟失，是觸發耐冷性的“關鍵開關”。
“我們用CRISPR-dCas9介導的表觀編輯技術做了驗證：精準去除ACT1基因的甲基化，原本不耐冷的水稻會變成耐冷品種；反之，恢復這個區域的甲基化，耐冷性就會消失。”唐善杰說。
更重要的是，這種由環境誘導、甲基化調控的耐冷性，能穩定遺傳至少五代。“這正是拉馬克所說的核心——環境誘導的有益性狀，可以穩定傳遞。”宋顯偉說。
科研沒有捷徑
5月28日，這項歷時12年的研究發表于《細胞》，迅速引起全球引發進化、表觀遺傳領域的廣泛關注。該刊審稿人評價其“超越傳統進化論框架，為適應性進化提供了新范式。”
《現代農業》期刊同一時間邀請進化、表觀、逆境三大領域頂級專家進行點評，認為該研究“為理解環境與遺傳的互動提供了全新視角”。Nature、JIPB、Molecular Plant、Trends in Plant Science期刊相繼發文進行專評。
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、設計好實驗，就要堅持下去。”
事實上，成果發表的過程，同樣充滿波折。“審稿人曾要求我們做近等基因系實驗，但我們的‘馴化系’和‘原始系’DNA 序列完全一樣，無法滿足這一要求，最初的投稿甚至被直接拒收。” 曹曉風笑著說，“后來我們補做了大量實驗，單是解釋‘為什么無法做近等基因系’，就和審稿人來回溝通了無數次。”
“基礎研究就是這樣，要回答懸而未決的問題，必須經得起嚴苛考驗。”曹曉風說。
這項研究不僅為兩百年科學爭議提供了實證，在農業育種與品種鑒定方面也有用武之地。“通過表觀遺傳編輯工具可快速產生抗旱、耐寒等性狀顯著提升的作物新種質。”中國科學院院士、植物逆境研究專家種康評價說。以我國東北稻區為例，該區域屬于寒區，冷害頻發，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——解析水稻響應低溫的分子機制，正是滿足國家農業需求的關鍵。
在品種鑒定方面，曹曉風補充道：“如果兩個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鑒定——這對保護育種知識產權、規范育種標準具有重要意義。”
不過，曹曉風表示，表觀遺傳的不穩定性仍會限制其在長期進化中的作用，這也是后續研究中待進一步解決的問題。
談及研究成功的關鍵，曹曉風始終強調跨團隊協作的重要性：“黑龍江省農業科學院有精準的控溫設備和豐富的田間經驗，研究員孟英、姜樹坤等科學家常年承擔表型鑒定工作；中國科學院昆明植物研究所劉暉利用生物信息技術，從海量數據中挖掘出甲基化變異規律——少了任何一個團隊，都走不到今天。”
而在孟英眼中，成功的關鍵在于“頂層設計+嚴謹執行”。“曹曉風老師和團隊做科研非常認真，他們不急于發文章，就想從根本上解決生產中存在的問題，讓農民真正受益。”她說。而唐善杰則覺得“幸運”：“作物自然演化和馴化往往需要上千年、上萬年，而我們僅用三代冷處理，就讓不耐冷水稻變成耐冷水稻。但這份幸運的背后，是宋老師最初承擔任務的勇氣，也是團隊12年的堅持。”
“科研沒有捷徑。能為一個懸了200年的學說找到證據，再難也值得。”宋顯偉這么說。（本文圖片均由受訪者提供）
播種育苗。育苗床的水稻苗。
孟英在盆栽場補插秧苗。孟英（左一）、宋顯偉（右一）和郭振華（左二）夏季在氣候室內穿棉衣進行調查取樣。
曹曉風（右一）、宋顯偉（左一）在測量葉枕距了解水稻生長狀態，并掛記錄標牌。
曹曉風（右一）、宋顯偉（右二）、郭振華（右三）和課題組的學生們在測量葉枕距，了解水稻生長狀態，并掛記錄標牌。
曹曉風（左二）、孟英（右一）、宋顯偉（右后二）在人工氣候室旁的小路上。
曹曉風（右二）、孟英（左二）、宋顯偉（右一）在田間小路上。
曹曉風（右四）與黑龍江省農業科學院耕作與栽培研究所所長李柱剛（右三）等在查看秧苗生長情況。
曹曉風（左二）、宋顯偉（左一）、孟英（右二）、郭振華（右一）在查看水稻耐冷性品系結實情況。受訪者供圖
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.036
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