中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生發(fā)表《Nature》

近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)楊淑華和施怡婷教授團(tuán)隊(duì)在《Nature》期刊發(fā)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院植物抗逆高效全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊淑華教授和施怡婷教授擔(dān)任共同通訊作者，博士研究生廖歡為第一作者。

研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)篩選玉米SPX家族成員，最終鎖定關(guān)鍵調(diào)控因子NLA，并證實(shí)SPX家族蛋白在植物低溫響應(yīng)中扮演著全新角色。研究發(fā)現(xiàn)，NLA如同一個(gè)“分流閥門(mén)”，整合調(diào)控茉莉酸（JA）信號(hào)通路與磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。在低溫條件下，NLA蛋白在體內(nèi)積累，一方面通過(guò)泛素化降解JA信號(hào)抑制因子JAZ11，激活JA介導(dǎo)的低溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，從而提高玉米耐冷性；另一方面，NLA依賴(lài)其SPX結(jié)構(gòu)域?qū)〈级嗔姿幔↖nsPs）的感知能力，識(shí)別并泛素化降解磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PT4，抑制根系對(duì)磷的吸收。

這一發(fā)現(xiàn)揭示，NLA作為分子樞紐，在增強(qiáng)耐冷性的同時(shí)限制磷吸收，其“雙向調(diào)控”機(jī)制在分子層面解釋了低溫環(huán)境下耐冷性與磷吸收效率相互制約的內(nèi)在原因，為破解性狀權(quán)衡提供了關(guān)鍵突破口。

為打破這一經(jīng)典性狀權(quán)衡，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合AlphaFold3結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與分子對(duì)接分析，精準(zhǔn)定位SPX結(jié)構(gòu)域中負(fù)責(zé)感知InsPs的關(guān)鍵區(qū)域，并利用CRISPR/Cas9技術(shù)在NLA基因中刪除12個(gè)堿基，構(gòu)建新變體NLAΔ12。

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

通過(guò)這一基于結(jié)構(gòu)信息的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)“保留抗寒、解除限磷”的功能解耦，在分子層面破解了長(zhǎng)期存在的性狀權(quán)衡難題，體現(xiàn)了人工智能輔助蛋白設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)編輯技術(shù)在復(fù)雜性狀改良中的巨大潛力。

為驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用效果，研究團(tuán)隊(duì)在吉林公主嶺、河北涿州和海南三亞開(kāi)展多點(diǎn)田間試驗(yàn)。與實(shí)驗(yàn)室恒定低溫處理不同，田間環(huán)境存在自然晝夜溫差與復(fù)雜氣候波動(dòng)，更能檢驗(yàn)材料的真實(shí)適應(yīng)能力。

結(jié)果顯示，在氣候相對(duì)溫暖的中低緯度試驗(yàn)點(diǎn)（三亞和涿州），nlaΔ12新材料與對(duì)照材料的產(chǎn)量表現(xiàn)基本一致，差異未達(dá)顯著水平；而在高緯度、易發(fā)生低溫脅迫的公主嶺試驗(yàn)點(diǎn)，新材料表現(xiàn)出顯著的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。

為進(jìn)一步評(píng)估其在不同生育階段應(yīng)對(duì)低溫的能力，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)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(jié)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(shí)，其穗部發(fā)育狀況和籽粒充實(shí)度均明顯優(yōu)于對(duì)照材料。總體而言，在低溫逆境下，nlaΔ12改良材料籽粒產(chǎn)量較對(duì)照提高約10%-15%，展現(xiàn)出良好的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)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(diǎn)的優(yōu)異自然變異。將人工改造的nlaΔ12與自然優(yōu)良等位變異PT4A267進(jìn)行組合后，后代材料在保持強(qiáng)耐寒性的同時(shí)，磷吸收能力進(jìn)一步增強(qiáng)，呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，顯示出良好的育種應(yīng)用前景。

NLA及其新變體NLAΔ12調(diào)控玉米耐冷性、磷吸收效率和產(chǎn)量穩(wěn)定性工作模型