中国农业大学博士研究生发表《Nature》

皱可袖

近日，中国农业大学杨淑华和施怡婷教授团队在《Nature》期刊发表题为“Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize”的研究成果。该研究由中国农业大学生物学院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。
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。
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。
$ C1 E6 C* C, i% D" C  d- m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。
1 M+ u# r  J0 J: S! g: i: t% D  `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。
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。
( o7 [  E+ a* }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。
: a- z' ~9 v4 H0 _, K  u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。


NLA及其新变体NLAΔ12调控玉米耐冷性、磷吸收效率和产量稳定性工作模型