2026年2月26日，中國農(nóng)業(yè)大學植物抗逆高效全國重點實驗室楊淑華、施怡婷課題組在國際頂級學術期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表題為《Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize》的研究成果。該團隊以玉米E3泛素連接酶NLA為研究對象，首次闡明該蛋白如何通過獨特的分子開關機制，在低溫逆境響應與磷素營養(yǎng)吸收兩條通路間扮演"調控中樞"的角色。

傳統(tǒng)育種中，作物耐寒性與養(yǎng)分利用效率往往此消彼長、難以兼顧。研究團隊創(chuàng)新性地融合AI蛋白質結構預測與基因編輯技術，對NLA蛋白進行理性設計與定向改造，成功打破這一"權衡困境"，培育出耐寒能力與磷吸收效率雙優(yōu)的玉米新種質。田間試驗證實，改良材料在低溫條件下仍能保持穩(wěn)定的產(chǎn)量輸出。

這項工作不僅揭示了植物整合環(huán)境脅迫與營養(yǎng)信號的全新分子機理，更展示了"智能設計育種"在解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際難題中的巨大潛力，為應對全球氣候變化、保障糧食安全提供了新的技術路徑與種質資源。

一場倒春寒引發(fā)的科學突破

每年春季，當北方農(nóng)民滿懷期待地播下玉米種子，"倒春寒"這個不速之客卻常常讓希望大打折扣。玉米，這個起源于熱帶的全球第一大糧食作物，對低溫的敏感程度遠超想象。一場突如其來的降溫，可能導致出苗緩慢、幼苗凍傷，最終造成大幅減產(chǎn)。

但低溫帶來的麻煩遠不止于此。土壤溫度降低時，磷元素仿佛被"鎖"在了地里，根系吸收能力也同步下降，作物陷入"又冷又餓"的雙重困境。更棘手的是，科學界長期觀察到一個現(xiàn)象：玉米的耐寒能力和磷吸收效率似乎是一對"冤家"——耐寒性強的材料往往磷利用效率低，反之亦然。

這種"此消彼長"的性狀權衡，成為困擾育種學家數(shù)十年的瓶頸。如何在不影響耐寒性的前提下提升養(yǎng)分利用效率？中國農(nóng)業(yè)大學楊淑華、施怡婷教授團隊給出了令人振奮的答案。

發(fā)現(xiàn)分子世界的"分流閥門"

研究團隊將目光投向了植物體內(nèi)一個關鍵的"守門人"——E3泛素連接酶NLA。這個蛋白如同一個精密的分子開關，同時掌控著兩條生命通道：

通道一：抗寒防線當溫度驟降，NLA蛋白在細胞內(nèi)迅速積累，通過泛素化降解JA信號抑制因子JAZ11，激活茉莉酸信號通路，啟動作物的"抗寒應急模式"。

通道二：磷吸收調控NLA同時依賴其SPX結構域感知細胞內(nèi)的磷信號分子（InsPs），進而促進磷轉運蛋白PT4的降解，抑制根系對磷的吸收。

"這就像一個分流閥門，"論文第一作者廖歡博士解釋道，"NLA在幫助植物抵御寒冷的同時，卻意外地限制了養(yǎng)分吸收。這正是低溫環(huán)境下作物'顧此失彼'的分子根源。"

AI賦能：精準"手術"破解權衡困局

找到癥結只是第一步。如何在不破壞抗寒功能的前提下，解除NLA對磷吸收的抑制？研究團隊創(chuàng)新性地引入了人工智能輔助蛋白設計。

借助AlphaFold3結構預測技術，團隊精準定位了SPX結構域中負責感知磷信號的"傳感器"區(qū)域。隨后，利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，他們在NLA基因上實施了精準的"微創(chuàng)手術"——僅刪除12個堿基，構建出新變體NLAΔ12。

這一微小改動帶來了驚人的效果：

• 磷感知能力下降約50倍，幾乎喪失對磷信號的響應

• 磷轉運蛋白PT4得以保全，根系持續(xù)高效吸收磷元素

• 抗寒功能完好無損，仍能高效降解JAZ11，激活耐寒通路

"這相當于給玉米裝上了'智能分控系統(tǒng)'，"施怡婷教授表示，"抗寒和養(yǎng)分吸收兩條通路現(xiàn)在可以獨立運作，不再互相牽制。"

田間實戰(zhàn)：從實驗室到黑土地的跨越

理論設計能否經(jīng)受田間考驗？研究團隊在三個典型生態(tài)區(qū)展開驗證：吉林公主嶺（高緯度寒地）、河北涿州（溫帶平原）、海南三亞（熱帶氣候）。

結果令人振奮：在氣候溫和地區(qū)，改良材料與常規(guī)品種產(chǎn)量持平；而在易發(fā)生低溫脅迫的公主嶺，NLAΔ12材料在早播低溫條件下存活率顯著提升，晚播遭遇灌漿期低溫時穗部發(fā)育和籽粒充實度明顯優(yōu)于對照，最終籽粒產(chǎn)量提高約10%-15%。

更值得關注的是，研究團隊還發(fā)現(xiàn)JAZ11和PT4基因中存在優(yōu)異自然變異。將人工設計的NLAΔ12與自然優(yōu)良等位基因PT4A267"強強聯(lián)合"后，后代材料展現(xiàn)出耐寒性與磷吸收能力的協(xié)同增強，為智能設計育種提供了新范式。

一石二鳥：面向未來的農(nóng)業(yè)解決方案

這項成果的意義遠超玉米本身?！蹲匀弧菲诳谘埲A中農(nóng)業(yè)大學嚴建兵教授和崖州灣國家實驗室劉杰博士撰寫專題評述，將其譽為"分子機制解析與精準設計育種深度融合的代表性范例"。

評述指出，這種"解耦"策略具有廣闊的應用前景：

• 橫向拓展：類似的權衡關系廣泛存在于氮、鉀等其他營養(yǎng)元素的吸收調控中

• 縱向深化：為培育適應氣候變化的多抗逆、高養(yǎng)分效率作物新品種提供理論框架

• 技術輻射：展示了AI輔助蛋白設計在復雜性狀改良中的巨大潛力

在全球磷礦資源日趨緊張、氣候變化加劇的背景下，這項研究不僅回答了基礎科學問題，更提供了可復制的技術路徑——從分子機制解析到智能設計，從實驗室到田間，中國科學家正在走出一條機制驅動的精準育種新路。