Nature | 锁定“冷-磷”调控枢纽并精准重塑！中国农大杨淑华/施怡婷团队破解作物经典性状权衡

2026年2月26日，中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室杨淑华和施怡婷教授团队在Nature发表了题为Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize的研究论文。该研究系统揭示了玉米中关键E3泛素连接酶NLA（NITROGEN LIMITATION ADAPTATION）在低温响应与磷吸收调控中的核心枢纽作用，阐明其在协调逆境适应与养分利用中的关键分子机制。研究进一步结合人工智能辅助的蛋白设计与基因编辑技术，实现了NLA蛋白功能的定向优化与精准重塑，成功解耦了作物耐寒性与磷吸收的负相关，创制出兼具强耐寒性和高磷利用效率的新型玉米种质，有效提升了低温胁迫下的产量表现。这一突破性成果标志着我国在作物复杂性状协同调控机制解析与智能设计育种领域取得重大进展，为在气候变化背景下实现粮食稳产增产与资源高效利用提供了坚实的理论支撑。

聚焦低温与养分双重胁迫的关键科学问题

玉米起源于热带，是全球最重要的粮食作物之一，对低温极为敏感。春播生产中频发的“倒春寒”常导致出苗缓慢、幼苗生长受阻，甚至引发显著减产。低温对作物的影响并不仅限于温度胁迫本身，还会通过改变土壤理化性质间接加剧养分限制。

磷是植物能量代谢、信号转导和细胞分裂不可或缺的关键营养元素。然而，在低温条件下，土壤中磷的有效性下降，根系活性减弱，磷吸收效率显著降低，进而引发“生理性缺磷”。因此，在寒冷环境下，作物往往同时面临抗寒压力和养分不足的双重挑战。这种内在拮抗成为遗传改良中的关键瓶颈，严重制约产量稳定与资源利用效率的提升。在全球磷资源日趋紧张、肥料利用效率亟待提升的背景下，从分子层面阐明低温应答和磷高效利用之间的协同调控机制，对于保障粮食安全与农业可持续发展具有重要意义。

揭示“冷-磷”协同调控的分子枢纽

既往研究主要关注SPX结构域蛋白作为细胞内磷水平感应器的经典功能，系统解析了其在磷饥饿响应中的调控机制。然而，SPX家族是否参与低温胁迫响应及其分子机制长期未明，这一认知空白限制了对“冷–磷”互作关系的深入理解。

围绕这一关键问题，研究团队系统筛选玉米SPX家族成员，最终锁定关键调控因子NLA，并证实SPX家族蛋白在植物低温响应中扮演着全新角色。研究发现，NLA如同一个“分流阀门”，整合调控茉莉酸（JA）信号通路与磷酸盐转运过程。在低温条件下，NLA蛋白在体内积累，一方面通过泛素化降解JA信号抑制因子JAZ11，激活JA介导的低温信号转导通路，从而提高玉米耐冷性；另一方面，NLA依赖其SPX结构域对肌醇多磷酸（InsPs）的感知能力，识别并泛素化降解磷转运蛋白PT4，抑制根系对磷的吸收。这一发现揭示，NLA作为分子枢纽，在增强耐冷性的同时限制磷吸收，其“双向调控”机制在分子层面解释了低温环境下耐冷性与磷吸收效率相互制约的内在原因，为破解性状权衡提供了关键突破口。

AI辅助蛋白设计实现功能解耦

为打破这一经典性状权衡，研究团队结合AlphaFold3结构预测与分子对接分析，精准定位SPX结构域中负责感知InsPs的关键区域，并利用CRISPR/Cas9技术在NLA基因中删除12个碱基，构建新变体NLAΔ12。功能分析显示，该变体对InsP的结合能力下降约50倍，几乎丧失对InsPs的感知能力，不再与PT4结合并促进其降解，从而维持根系磷吸收能力；与此同时，NLA与JAZ11的互作不依赖于InsPs水平，NLAΔ12仍可有效降解JAZ11，维持甚至增强JA介导的耐冷信号通路。

通过这一基于结构信息的精准设计，研究团队成功实现“保留抗寒、解除限磷”的功能解耦，在分子层面破解了长期存在的性状权衡难题，体现了人工智能辅助蛋白设计与精准编辑技术在复杂性状改良中的巨大潜力。

图1. 新变体NLAΔ12解耦玉米耐冷性和磷吸收抑制，在低温胁迫条件下实现稳产增产。

田间试验验证稳产增产潜力

为验证实际应用效果，研究团队在吉林公主岭、河北涿州和海南三亚开展多点田间试验。与实验室恒定低温处理不同，田间环境存在自然昼夜温差与复杂气候波动，更能检验材料的真实适应能力。结果显示，在气候相对温暖的中低纬度试验点（三亚和涿州），nlaΔ12新材料与对照材料的产量表现基本一致，差异未达显著水平；而在高纬度、易发生低温胁迫的公主岭试验点，新材料表现出显著的产量优势。

为进一步评估其在不同生育阶段应对低温的能力，研究团队通过设置早播、正常播和晚播处理，分别模拟苗期与灌浆期可能遭遇的低温胁迫情景。结果表明，在早播低温条件下，新材料存活率显著提升；在晚播遭遇灌浆期低温时，其穗部发育状况和籽粒充实度均明显优于对照材料。总体而言，在低温逆境下，nlaΔ12改良材料籽粒产量较对照提高约10%-15%，展现出良好的稳产增产潜力。

此外，在玉米自交系中还鉴定到JAZ11和PT4基因中编码泛素化位点的优异自然变异。将人工改造的nlaΔ12与自然优良等位变异PT4A267进行组合后，后代材料在保持强耐寒性的同时，磷吸收能力进一步增强，呈现协同效应，显示出良好的育种应用前景。

该研究为复杂环境下作物性状的系统重构提供了可复制的技术路径，也为人工智能赋能精准育种向机制驱动方向发展提供了重要实践范例。

图2. NLA和NLAΔ12调控玉米耐冷性、磷吸收效率和产量稳定性工作模型

鉴于该成果的重要科学意义与应用前景，Nature同期邀请华中农业大学严建兵教授与崖州湾国家实验室青年科学家刘杰共同撰写题为Protein engineering fixes a major crop trade-off的专题亮点评述文章。评述指出，该研究通过对关键调控蛋白进行AI辅助设计与功能重塑，成功破解了作物复杂性状间的经典权衡，被视为分子机制解析与精准设计育种深度融合的代表性范例。该成果为作物改良由单一性状优化迈向系统性环境适应设计提供了新的理论框架与技术路径。评述专家进一步展望了其应用前景，认为这种解耦冷耐受与磷吸收的“一石二鸟（two-in-one）”策略，有望拓展至其他关键营养元素（如氮）的高效利用调控，对培育适应气候变化背景下多重胁迫环境的作物新品种具有重要意义。

本研究由中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室杨淑华教授和施怡婷教授担任共同通讯作者，博士研究生廖欢为第一作者。宋文教授、李溱教授、田丰教授、杨小红教授、巩志忠教授和赵晓云博士等给予重要支持。张晓燕副教授、郭丽博士、李卓洋博士、傅迪毅博士、庄军红以及博士研究生任柯宇、刘志成、苏天航、张朝阳等共同参与研究。中国农业大学作物功能基因组学与分子育种研究中心为该研究提供了遗传转化服务和重要材料支持。该研究得到生物育种重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金以及拼多多-中国农业大学研究基金等项目资助。

近年来，杨淑华教授团队围绕植物低温响应信号转导与整合机制、玉米高纬度低温适应性调控以及低温与养分协同调控等前沿领域，持续开展系统深入的研究，取得了一系列具有国际影响力的原创性成果。相关研究论文发表在Nature、Cell、Mol Cell、Nat Plants、Mol Plant、Plant Cell、PNAS等国际主流学术期刊。上述成果不仅推动了植物耐低温研究领域的发展，也为耐冷玉米品种的精准设计与改良奠定了坚实的理论基础，提供了重要的遗传资源和关键分子靶点。

论文链接：

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