中國農業大學博士研究生發表《Nature》

近日，中國農業大學楊淑華和施怡婷教授團隊在《Nature》期刊發表題為“Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize”的研究成果。該研究由中國農業大學生物學院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。

研究團隊系統篩選玉米SPX家族成員，最終鎖定關鍵調控因子NLA，并證實SPX家族蛋白在植物低溫響應中扮演著全新角色。研究發現，NLA如同一個“分流閥門”，整合調控茉莉酸（JA）信號通路與磷酸鹽轉運過程。在低溫條件下，NLA蛋白在體內積累，一方面通過泛素化降解JA信號抑制因子JAZ11，激活JA介導的低溫信號轉導通路，從而提高玉米耐冷性；另一方面，NLA依賴其SPX結構域對肌醇多磷酸（InsPs）的感知能力，識別并泛素化降解磷轉運蛋白PT4，抑制根系對磷的吸收。

這一發現揭示，NLA作為分子樞紐，在增強耐冷性的同時限制磷吸收，其“雙向調控”機制在分子層面解釋了低溫環境下耐冷性與磷吸收效率相互制約的內在原因，為破解性狀權衡提供了關鍵突破口。

為打破這一經典性狀權衡，研究團隊結合AlphaFold3結構預測與分子對接分析，精準定位SPX結構域中負責感知InsPs的關鍵區域，并利用CRISPR/Cas9技術在NLA基因中刪除12個堿基，構建新變體NLAΔ12。

功能分析顯示，該變體對InsP的結合能力下降約50倍，幾乎喪失對InsPs的感知能力，不再與PT4結合并促進其降解，從而維持根系磷吸收能力；與此同時，NLA與JAZ11的互作不依賴于InsPs水平，NLAΔ12仍可有效降解JAZ11，維持甚至增強JA介導的耐冷信號通路。

通過這一基于結構信息的精準設計，研究團隊成功實現“保留抗寒、解除限磷”的功能解耦，在分子層面破解了長期存在的性狀權衡難題，體現了人工智能輔助蛋白設計與精準編輯技術在復雜性狀改良中的巨大潛力。

為驗證實際應用效果，研究團隊在吉林公主嶺、河北涿州和海南三亞開展多點田間試驗。與實驗室恒定低溫處理不同，田間環境存在自然晝夜溫差與復雜氣候波動，更能檢驗材料的真實適應能力。

結果顯示，在氣候相對溫暖的中低緯度試驗點（三亞和涿州），nlaΔ12新材料與對照材料的產量表現基本一致，差異未達顯著水平；而在高緯度、易發生低溫脅迫的公主嶺試驗點，新材料表現出顯著的產量優勢。

為進一步評估其在不同生育階段應對低溫的能力，研究團隊通過設置早播、正常播和晚播處理，分別模擬苗期與灌漿期可能遭遇的低溫脅迫情景。結果表明，在早播低溫條件下，新材料存活率顯著提升；在晚播遭遇灌漿期低溫時，其穗部發育狀況和籽粒充實度均明顯優于對照材料。總體而言，在低溫逆境下，nlaΔ12改良材料籽粒產量較對照提高約10%-15%，展現出良好的穩產增產潛力。

此外，在玉米自交系中還鑒定到JAZ11和PT4基因中編碼泛素化位點的優異自然變異。將人工改造的nlaΔ12與自然優良等位變異PT4A267進行組合后，后代材料在保持強耐寒性的同時，磷吸收能力進一步增強，呈現協同效應，顯示出良好的育種應用前景。

NLA及其新變體NLAΔ12調控玉米耐冷性、磷吸收效率和產量穩定性工作模型