冷脅迫會(huì)限制植物生長和無機(jī)磷(Pi)吸收，降低產(chǎn)量并增加肥料需求。提高耐寒性和磷利用效率(PUE)對可持續(xù)的作物生產(chǎn)力至關(guān)重要。

2026年2月25日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)楊淑華、施怡婷共同通訊在Nature在線發(fā)表題為“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)。

玉米(Zea maysL .)是全球種植最廣泛的谷類作物，原產(chǎn)于熱帶地區(qū)，對寒冷脅迫高度敏感。在長期適應(yīng)過程中，玉米進(jìn)化出了不同的生理策略來減輕冷誘導(dǎo)的傷害，包括冷反應(yīng)基因家族的擴(kuò)展和自然發(fā)生的耐寒等位基因的選擇性保留。雖然這些適應(yīng)提高了耐寒性，但它們經(jīng)常伴隨著營養(yǎng)吸收的損害和生長的阻礙，常常導(dǎo)致產(chǎn)量潛力的降低。解決這些權(quán)衡需要更深入地了解協(xié)調(diào)玉米抗逆力和養(yǎng)分利用效率的分子機(jī)制。

磷(P)是能量代謝和發(fā)育過程中必需的大量營養(yǎng)素，主要以無機(jī)磷酸鹽(Pi)的形式吸收。冷脅迫通過削弱磷在土壤中的流動(dòng)性和抑制根系活性，顯著降低了磷有效性，即使在磷充足的條件下，也經(jīng)常導(dǎo)致生理性缺磷。與此同時(shí)，由于低效的化肥使用和磷礦的不可再生性，全球磷資源正在枯竭，這引起了人們對長期農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的擔(dān)憂。因此，開發(fā)具有增強(qiáng)PUE的氣候適應(yīng)性作物品種對于減少對化肥的依賴同時(shí)保持產(chǎn)量穩(wěn)定至關(guān)重要。

機(jī)理模式圖（圖源自Nature）

在這里，研究人員將含有SPX結(jié)構(gòu)域的E3泛素連接酶氮限制適應(yīng)(NLA)鑒定為將冷信號(hào)與玉米中的Pi穩(wěn)態(tài)聯(lián)系起來的中央調(diào)節(jié)因子。在寒冷條件下，NLA促進(jìn)轉(zhuǎn)錄阻遏物JAZ11的降解，激活茉莉酸信號(hào)以增強(qiáng)耐寒性；然而，NLA也同時(shí)抑制Pi攝取，通過肌醇多磷酸(InsP)依賴的Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PT4的泛素化。一項(xiàng)泛素信息全基因組關(guān)聯(lián)研究確定了一種天然PT4(K267A)(賴氨酸到丙氨酸取代)變體，該變體在寒冷條件下減弱NLA介導(dǎo)的降解并增加Pi攝取。

為了克服這種營養(yǎng)-壓力權(quán)衡，研究人員將人工智能指導(dǎo)的結(jié)構(gòu)建模和配體對接與基因組編輯相結(jié)合，以產(chǎn)生nlaΔ12等位基因，該等位基因編碼一種nla變體，在該變體中，與InsP的結(jié)合受到損害，但JAZ11靶向性得以保留。Δ12修飾選擇性地將NLA的活性重新導(dǎo)向茉莉酸信號(hào)傳導(dǎo)，從而在多地點(diǎn)田間試驗(yàn)中提高了抗寒性、更高的PUE和增加的產(chǎn)量。這些發(fā)現(xiàn)揭示了一個(gè)整合環(huán)境和營養(yǎng)信號(hào)的可調(diào)SPX調(diào)控模塊，并為工程氣候適應(yīng)性、營養(yǎng)高效作物提供了一個(gè)分子框架。

本研究由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物抗逆高效全國重點(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、張朝陽等共同參與研究。中國農(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)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金以及拼多多-中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究基金等項(xiàng)目資助。

參考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10142-1