2026年2月26日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院植物抗逆高效全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊淑華和施怡婷教授團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）發(fā)表題為《重構(gòu)E3泛素連接酶協(xié)同增強(qiáng)玉米耐冷性和磷利用效率》（Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize）的研究論文。該研究系統(tǒng)揭示了玉米中關(guān)鍵E3泛素連接酶NLA（NITROGEN LIMITATION ADAPTATION）在低溫響應(yīng)與磷吸收調(diào)控中的核心樞紐作用，闡明其在協(xié)調(diào)逆境適應(yīng)與養(yǎng)分利用中的關(guān)鍵分子機(jī)制。研究進(jìn)一步結(jié)合人工智能輔助的蛋白設(shè)計(jì)與基因編輯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了NLA蛋白功能的定向優(yōu)化與精準(zhǔn)重塑，成功解耦了作物耐寒性與磷吸收的負(fù)相關(guān)，創(chuàng)制出兼具強(qiáng)耐寒性和高磷利用效率的新型玉米種質(zhì)，有效提升了低溫脅迫下的產(chǎn)量表現(xiàn)。這一突破性成果標(biāo)志著我國(guó)在作物復(fù)雜性狀協(xié)同調(diào)控機(jī)制解析與智能設(shè)計(jì)育種領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，為在氣候變化背景下實(shí)現(xiàn)糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)與資源高效利用提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐。

聚焦低溫與養(yǎng)分雙重脅迫的

關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

玉米起源于熱帶，是全球最重要的糧食作物之一，對(duì)低溫極為敏感。春播生產(chǎn)中頻發(fā)的“倒春寒”常導(dǎo)致出苗緩慢、幼苗生長(zhǎng)受阻，甚至引發(fā)顯著減產(chǎn)。低溫對(duì)作物的影響并不僅限于溫度脅迫本身，還會(huì)通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)間接加劇養(yǎng)分限制。

磷是植物能量代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞分裂不可或缺的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素。然而，在低溫條件下，土壤中磷的有效性下降，根系活性減弱，磷吸收效率顯著降低，進(jìn)而引發(fā)“生理性缺磷”。因此，在寒冷環(huán)境下，作物往往同時(shí)面臨抗寒壓力和養(yǎng)分不足的雙重挑戰(zhàn)。這種內(nèi)在拮抗成為遺傳改良中的關(guān)鍵瓶頸，嚴(yán)重制約產(chǎn)量穩(wěn)定與資源利用效率的提升。

在全球磷資源日趨緊張、肥料利用效率亟待提升的背景下，從分子層面闡明低溫應(yīng)答和磷高效利用之間的協(xié)同調(diào)控機(jī)制，對(duì)于保障糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

揭示“冷-磷”協(xié)同調(diào)控的分子樞紐

既往研究主要關(guān)注SPX結(jié)構(gòu)域蛋白作為細(xì)胞內(nèi)磷水平感應(yīng)器的經(jīng)典功能，系統(tǒng)解析了其在磷饑餓響應(yīng)中的調(diào)控機(jī)制。然而，SPX家族是否參與低溫脅迫響應(yīng)及其分子機(jī)制長(zhǎng)期未明，這一認(rèn)知空白限制了對(duì)“冷–磷”互作關(guān)系的深入理解。

圍繞這一關(guān)鍵問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)篩選玉米SPX家族成員，最終鎖定關(guān)鍵調(diào)控因子NLA，并證實(shí)SPX家族蛋白在植物低溫響應(yīng)中扮演著全新角色。研究發(fā)現(xiàn)，NLA如同一個(gè)“分流閥門”，整合調(diào)控茉莉酸（JA）信號(hào)通路與磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。在低溫條件下，NLA蛋白在體內(nèi)積累，一方面通過(guò)泛素化降解JA信號(hào)抑制因子JAZ11，激活JA介導(dǎo)的低溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，從而提高玉米耐冷性；另一方面，NLA依賴其SPX結(jié)構(gòu)域?qū)〈级嗔姿幔↖nsPs）的感知能力，識(shí)別并泛素化降解磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PT4，抑制根系對(duì)磷的吸收。

這一發(fā)現(xiàn)揭示，NLA作為分子樞紐，在增強(qiáng)耐冷性的同時(shí)限制磷吸收，其“雙向調(diào)控”機(jī)制在分子層面解釋了低溫環(huán)境下耐冷性與磷吸收效率相互制約的內(nèi)在原因，為破解性狀權(quán)衡提供了關(guān)鍵突破口。

AI輔助蛋白設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能解耦

為打破這一經(jīng)典性狀權(quán)衡，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合AlphaFold3結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與分子對(duì)接分析，精準(zhǔn)定位SPX結(jié)構(gòu)域中負(fù)責(zé)感知InsPs的關(guān)鍵區(qū)域，并利用CRISPR/Cas9技術(shù)在NLA基因中刪除12個(gè)堿基，構(gòu)建新變體NLAΔ12。

功能分析顯示，該變體對(duì)InsP的結(jié)合能力下降約50倍，幾乎喪失對(duì)InsPs的感知能力，不再與PT4結(jié)合并促進(jìn)其降解，從而維持根系磷吸收能力；與此同時(shí)，NLA與JAZ11的互作不依賴于InsPs水平，NLAΔ12仍可有效降解JAZ11，維持甚至增強(qiáng)JA介導(dǎo)的耐冷信號(hào)通路。

通過(guò)這一基于結(jié)構(gòu)信息的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)“保留抗寒、解除限磷”的功能解耦，在分子層面破解了長(zhǎng)期存在的性狀權(quán)衡難題，體現(xiàn)了人工智能輔助蛋白設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)編輯技術(shù)在復(fù)雜性狀改良中的巨大潛力。

圖1.新變體NLAΔ12解耦玉米耐冷性和磷吸收抑制，

在低溫脅迫條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)

田間試驗(yàn)驗(yàn)證穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)潛力

為驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用效果，研究團(tuán)隊(duì)在吉林公主嶺、河北涿州和海南三亞開展多點(diǎn)田間試驗(yàn)。與實(shí)驗(yàn)室恒定低溫處理不同，田間環(huán)境存在自然晝夜溫差與復(fù)雜氣候波動(dòng)，更能檢驗(yàn)材料的真實(shí)適應(yīng)能力。

結(jié)果顯示，在氣候相對(duì)溫暖的中低緯度試驗(yàn)點(diǎn)（三亞和涿州），nlaΔ12新材料與對(duì)照材料的產(chǎn)量表現(xiàn)基本一致，差異未達(dá)顯著水平；而在高緯度、易發(fā)生低溫脅迫的公主嶺試驗(yàn)點(diǎn)，新材料表現(xiàn)出顯著的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。

為進(jìn)一步評(píng)估其在不同生育階段應(yīng)對(duì)低溫的能力，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)置早播、正常播和晚播處理，分別模擬苗期與灌漿期可能遭遇的低溫脅迫情景。結(jié)果表明，在早播低溫條件下，新材料存活率顯著提升；在晚播遭遇灌漿期低溫時(shí)，其穗部發(fā)育狀況和籽粒充實(shí)度均明顯優(yōu)于對(duì)照材料?？傮w而言，在低溫逆境下，nlaΔ12改良材料籽粒產(chǎn)量較對(duì)照提高約10%-15%，展現(xiàn)出良好的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)潛力。

此外，在玉米自交系中還鑒定到JAZ11和PT4基因中編碼泛素化位點(diǎn)的優(yōu)異自然變異。將人工改造的nlaΔ12與自然優(yōu)良等位變異PT4A267進(jìn)行組合后，后代材料在保持強(qiáng)耐寒性的同時(shí)，磷吸收能力進(jìn)一步增強(qiáng)，呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，顯示出良好的育種應(yīng)用前景。

該研究為復(fù)雜環(huán)境下作物性狀的系統(tǒng)重構(gòu)提供了可復(fù)制的技術(shù)路徑，也為人工智能賦能精準(zhǔn)育種向機(jī)制驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展提供了重要實(shí)踐范例。

圖2. NLA及其新變體NLAΔ12調(diào)控玉米耐冷性、

磷吸收效率和產(chǎn)量穩(wěn)定性工作模型

鑒于該成果的重要科學(xué)意義與應(yīng)用前景，Nature同期邀請(qǐng)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵教授，與崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室青年科學(xué)家劉杰共同撰寫題為“Protein engineering fixes a major crop trade-off”的專題亮點(diǎn)評(píng)述文章。評(píng)述指出，該研究通過(guò)對(duì)關(guān)鍵調(diào)控蛋白進(jìn)行AI輔助設(shè)計(jì)與功能重塑，成功破解了作物復(fù)雜性狀間的經(jīng)典權(quán)衡，被視為分子機(jī)制解析與精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種深度融合的代表性范例。該成果為作物改良由單一性狀優(yōu)化邁向系統(tǒng)性環(huán)境適應(yīng)設(shè)計(jì)提供了新的理論框架與技術(shù)路徑。評(píng)述專家進(jìn)一步展望了其應(yīng)用前景，認(rèn)為這種解耦冷耐受與磷吸收的“一石二鳥（two-in-one）”策略，有望拓展至其他關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素（如氮）的高效利用調(diào)控，對(duì)培育適應(yīng)氣候變化背景下多重脅迫環(huán)境的作物新品種具有重要意義。

本研究由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院植物抗逆高效全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊淑華教授和施怡婷教授擔(dān)任共同通訊作者，博士研究生廖歡為第一作者。宋文教授、李溱教授、田豐教授、楊小紅教授、鞏志忠教授和趙曉云博士等給予重要支持。張曉燕副教授、郭麗博士、李卓洋博士、傅迪毅博士、莊軍紅以及博士研究生任柯宇、劉志成、蘇天航、張朝陽(yáng)等共同參與研究。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)作物功能基因組學(xué)與分子育種研究中心為該研究提供了遺傳轉(zhuǎn)化服務(wù)和重要材料支持。該研究得到生物育種重大專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及拼多多-中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究基金等項(xiàng)目資助。

近年來(lái)，楊淑華教授團(tuán)隊(duì)圍繞植物低溫響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與整合機(jī)制、玉米高緯度低溫適應(yīng)性調(diào)控以及低溫與養(yǎng)分協(xié)同調(diào)控等前沿領(lǐng)域，持續(xù)開展系統(tǒng)深入的研究，取得了一系列具有國(guó)際影響力的原創(chuàng)性成果。相關(guān)研究論文發(fā)表在Nature、Cell、Mol Cell、Nat Plants、Mol Plant、Plant Cell、PNAS等國(guó)際主流學(xué)術(shù)期刊。上述成果不僅推動(dòng)了植物耐低溫研究領(lǐng)域的發(fā)展，也為耐冷玉米品種的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與改良奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，提供了重要的遺傳資源和關(guān)鍵分子靶點(diǎn)。

來(lái)源｜中國(guó)農(nóng)大新聞網(wǎng)

編輯｜曾婷

審校｜楊雨睿 張舒然

責(zé)編｜范晨輝 姜萍萍