冷胁迫会限制植物生长和无机磷(Pi)吸收，降低产量并增加肥料需求。提高耐寒性和磷利用效率(PUE)对可持续的作物生产力至关重要。
2026年2月25日，中国农业大学杨淑华、施怡婷共同通讯在Nature在线发表题为“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。
玉米(Zea maysL .)是全球种植最广泛的谷类作物，原产于热带地区，对寒冷胁迫高度敏感。在长期适应过程中，玉米进化出了不同的生理策略来减轻冷诱导的伤害，包括冷反应基因家族的扩展和自然发生的耐寒等位基因的选择性保留。虽然这些适应提高了耐寒性，但它们经常伴随着营养吸收的损害和生长的阻碍，常常导致产量潜力的降低。解决这些权衡需要更深入地了解协调玉米抗逆力和养分利用效率的分子机制。
磷(P)是能量代谢和发育过程中必需的大量营养素，主要以无机磷酸盐(Pi)的形式吸收。冷胁迫通过削弱磷在土壤中的流动性和抑制根系活性，显著降低了磷有效性，即使在磷充足的条件下，也经常导致生理性缺磷。与此同时，由于低效的化肥使用和磷矿的不可再生性，全球磷资源正在枯竭，这引起了人们对长期农业可持续性的担忧。因此，开发具有增强PUE的气候适应性作物品种对于减少对化肥的依赖同时保持产量稳定至关重要。
机理模式图（图源自Nature）
在这里，研究人员将含有SPX结构域的E3泛素连接酶氮限制适应(NLA)鉴定为将冷信号与玉米中的Pi稳态联系起来的中央调节因子。在寒冷条件下，NLA促进转录阻遏物JAZ11的降解，激活茉莉酸信号以增强耐寒性；然而，NLA也同时抑制Pi摄取，通过肌醇多磷酸(InsP)依赖的Pi转运蛋白PT4的泛素化。一项泛素信息全基因组关联研究确定了一种天然PT4(K267A)(赖氨酸到丙氨酸取代)变体，该变体在寒冷条件下减弱NLA介导的降解并增加Pi摄取。
为了克服这种营养-压力权衡，研究人员将人工智能指导的结构建模和配体对接与基因组编辑相结合，以产生nlaΔ12等位基因，该等位基因编码一种nla变体，在该变体中，与InsP的结合受到损害，但JAZ11靶向性得以保留。Δ12修饰选择性地将NLA的活性重新导向茉莉酸信号传导，从而在多地点田间试验中提高了抗寒性、更高的PUE和增加的产量。这些发现揭示了一个整合环境和营养信号的可调SPX调控模块，并为工程气候适应性、营养高效作物提供了一个分子框架。
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。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10142-1
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