低温胁迫是全球农业生产面临的主要挑战之一，尤其对于原产于热带、对寒冷敏感的玉米而言，冷害不仅直接抑制其生长发育，还会显著阻碍根系对土壤中磷元素的吸收。磷是作物生长发育所必需的核心营养元素，低温导致的生理性缺磷会进一步加剧产量损失，并迫使农民增加磷肥施用量。然而，在长期的自然驯化和育种过程中，玉米的耐寒性与营养吸收效率往往存在此消彼长的权衡关系，如何打破这一瓶颈，同步提升作物的逆境适应能力和养分利用效率，是当前农业科学领域亟待解决的关键问题。
2026年2月25日，发表于《自然》期刊的一项研究中，来自中国农业大学生物学院的杨淑华教授和施怡婷教授团队成功破解了这一难题。该研究题为《重编程E3连接酶增强玉米耐寒性与磷利用效率》，研究团队通过整合人工智能结构预测与基因编辑技术，精准改造了一个名为NLA的枢纽基因，创制出既耐寒又高效吸磷的玉米新种质，为应对气候变化下的粮食安全提供了重要育种资源。
研究发现，NLA编码一种包含SPX结构域的E3泛素连接酶，在玉米响应低温胁迫中扮演着双重调控角色。一方面，NLA通过促进茉莉酸信号通路中的抑制蛋白JAZ11的降解，激活下游防御反应，从而增强玉米的耐寒性；另一方面，在低温及细胞内焦磷酸肌醇信号的介导下，NLA会靶向并降解磷转运蛋白PT4，从而抑制根系对磷的吸收。这种机制虽然有助于植物在短期胁迫下重新配置能量，但长期来看却牺牲了磷的获取效率。
为进一步解析这一调控网络，研究团队进行了全面的转录组和泛素化修饰组学分析。结果证实，NLA对JAZ11的降解是其增强耐寒性的核心分子事件。在nla突变体中，JAZ11蛋白稳定性显著提高，导致茉莉酸信号通路受阻，植株对低温变得极度敏感。遗传学实验进一步表明，JAZ11位于NLA下游发挥作用，其编码区的一个自然变异（K47R）能够改变蛋白稳定性，并与玉米种质的耐寒性差异显著相关。
在解析磷吸收调控方面，团队结合全基因组关联分析和蛋白组学数据，锁定磷转运蛋白PT4为NLA的另一关键底物。研究发现，PT4蛋白上的第267位赖氨酸是其被NLA识别并泛素化修饰的关键位点。在包含149份玉米自交系的分析中，携带PT4K267A（赖氨酸突变为丙氨酸）自然变异的材料，其PT4蛋白稳定性更高，在低温下能维持更强的磷吸收能力。
基于上述机制解析，研究团队利用AlphaFold3等人工智能工具对NLA蛋白结构进行建模和配体 docking 预测，发现其SPX结构域中的一段由58-I FLQ-61组成的基序是结合焦磷酸肌醇的关键区域。通过CRISPR-Cas9基因编辑技术，研究团队精准删除了该基序（12个碱基），创制出nlaΔ12突变体。生化分析显示，该突变体编码的NLAΔ12蛋白与InsP的结合能力下降了约50倍，导致其与PT4的互作显著减弱，PT4蛋白在低温下得以稳定存在并持续吸收磷；与此同时，NLAΔ12保留了与JAZ11的正常互作能力，仍能有效激活茉莉酸信号通路。
田间试验进一步验证了这一设计的优越性。在2023至2024年间，研究团队在吉林公主岭（高纬度冷凉区）、河北涿州和海南三亚三个不同气候点进行了多季播种试验。结果显示，在公主岭早春播种遭遇冷害胁迫时，携带nlaΔ12的玉米材料较野生型表现出更高的幼苗存活率和单穗产量。特别是在不同播期的比较中，nlaΔ12材料在早播和晚播遭遇低温时均表现出显著的增产效果，每公顷增产幅度达9.5%至13.5%。同时，该材料在籽粒灌浆期穗叶和籽粒中的磷积累量也显著高于野生型，证明其磷利用效率得到了实质性提升。
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。
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