冷脅迫會限制植物生長和無機磷(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)逆境適應與養(yǎng)分利用中的關(guān)鍵分子機制。

研究進一步結(jié)合人工智能輔助的蛋白設計與基因編輯技術(shù)，實現(xiàn)了NLA蛋白功能的定向優(yōu)化與精準重塑，成功解耦了作物耐寒性與磷吸收的負相關(guān)，創(chuàng)制出兼具強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。在長期適應過程中，玉米進化出了不同的生理策略來減輕冷誘導的傷害，包括冷反應基因家族的擴展和自然發(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，主要以無機磷酸鹽(Pi)的形式吸收。冷脅迫通過削弱磷在土壤中的流動性和抑制根系活性，顯著降低了磷有效性，即使在磷充足的條件下，也經(jīng)常導致生理性缺磷。與此同時，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)性的擔憂。因此，開發(fā)具有增強PUE的氣候適應性作物品種對于減少對化肥的依賴同時保持產(chǎn)量穩(wěn)定至關(guān)重要。

機理模式圖（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(NLA)鑒定為將冷信號與玉米中的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促進轉(zhuǎn)錄阻遏物JAZ11的降解，激活茉莉酸信號以增強耐寒性；然而，NLA也同時抑制Pi攝取，通過肌醇多磷酸(InsP)依賴的Pi轉(zhuǎn)運蛋白PT4的泛素化。一項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的活性重新導向茉莉酸信號傳導，從而在多地點田間試驗中提高了抗寒性、更高的PUE和增加的產(chǎn)量。這些發(fā)現(xiàn)揭示了一個整合環(huán)境和營養(yǎng)信號的可調(diào)SPX調(diào)控模塊，并為工程氣候適應性、營養(yǎng)高效作物提供了一個分子框架。

本研究由中國農(nóng)業(yè)大學植物抗逆高效全國重點實驗室楊淑華教授和施怡婷教授擔任共同通訊作者，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)大學作物功能基因組學與分子育種研究中心為該研究提供了遺傳轉(zhuǎn)化服務和重要材料支持。該研究得到生物育種重大專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金以及拼多多-中國農(nóng)業(yè)大學研究基金等項目資助。

參考消息：

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