Nature一作精读|中农杨淑华/施怡婷团队精准重塑“冷-磷”调控枢纽

研究背景

研究内容

近期，中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室杨淑华和施怡婷教授团队在Nature发表题为“Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize”的研究论文。通过AI辅助蛋白设计与基因编辑，成功破解玉米耐寒性与磷吸收效率的经典性状权衡，创制出兼具强耐寒性与高磷利用效率的新型种质，为应对气候变化下的粮食稳产提供了坚实的理论支撑。

既往研究表明，SPX结构域蛋白是细胞内磷水平的感受器，但其是否参与低温响应长期未知。围绕这一关键问题，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“双向调控”机制从分子层面解释了耐冷性与磷吸收相互制约的内在原因。

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NLA^Δ12。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，NLA^Δ12仍可有效降解JAZ11，维持甚至增强JA介导的耐冷信号通路。

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。

图1.NLA^Δ12调控玉米耐冷性、磷吸收效率的工作模型

在吉林公主岭、河北涿州和海南三亚的田间试验结果中显示：在气候相对温暖的中低纬度试验点（三亚和涿州），nla^Δ12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，nla^Δ12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。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nla^Δ12与自然优良等位变异PT4^A267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。

图2. NLA^Δ12在田间低温胁迫条件下实现稳产增产

该成果标志着我国在复杂性状协同调控与智能设计育种领域取得重要突破。

Nature同期发表了题为“Protein engineering fixes a major crop trade-off”的专题亮点评述文章。评述指出，该研究通过AI辅助蛋白设计与功能重塑，成功破解了作物性状间的经典权衡，是分子机制解析与精准设计育种深度融合的代表性范例。评述专家指出，这种“一石二鸟”的策略有望拓展至氮等其他营养元素的高效利用，为培育适应多重胁迫环境的作物新品种提供了新路径。

MST技术提供关键功能验证

在本次研究中，利用NanoTemper分子互作技术平台Monolith系列产品进行的微量热泳动（MST）实验在关键分子互作验证和蛋白结构设计验证两个核心环节发挥了不可替代的作用。

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「 轻松、快速、精准检测分子间相互作用 」

研究团队需要同时验证NLA与InsPs的结合以及比较NLA^Δ12与InsPs的结合是否显著减弱，这要求检测方法具有高灵敏度，且能够在同一体系中对多个不同互作对进行定量比较。MST技术能够在相近的实验条件下快速测定多个互作对的K_d值，样品消耗量极低，使研究团队能够在有限的蛋白样品条件下完成全部验证，成为破解此类高难度分子互作实验的理想工具。MST结果显示，正常的NLA蛋白与InsPs具有较高的亲和力，而NLA^Δ12与InsPs的结合能力下降约50倍，精准验证了AI辅助设计的有效性。

该技术既帮助研究团队证实了NLA感知InsPs这一核心分子机制，又为AI辅助设计的NLA^Δ12变体提供了关键的功能验证数据，连接了“结构设计”与“功能验证”两大环节，是推动本研究从分子机制解析走向精准设计育种的重要技术支撑。

图3. NLA^Δ12解耦玉米耐冷性和磷吸收抑制

研究团队对MST技术的评价

研究团队选择MST技术，核心在于其无需固定、在溶液中进行检测的独特优势。传统互作技术如SPR需要将蛋白固定在芯片表面，可能影响蛋白天然构象，尤其对于NLA这类构象敏感的蛋白，固定化带来的风险不容忽视。此外，NLA蛋白容易寡聚，纯化得到的有活性蛋白量很少，难以进行ITC实验。另一方面，配体分子InsPs极性非常强，使得二者的亲和力检测受到一定条件限制。

而MST技术完全在溶液中完成检测，能够最大程度还原体内真实的互作环境，且样品消耗量低，这对于精确测定NLA与InsPs小分子的相互作用、验证AI设计的NLA^Δ12变体功能至关重要。MST技术另一个突出特点是卓越的灵敏度，检测范围横跨pM至mM，能够精准捕获弱相互作用。同时样品消耗极低，使研究团队在有限的蛋白样品条件下，能够高效完成多个互作对的K_d值测定与比较。配合MO.Affinity Analysis软件，为数据解析提供了高效、可靠的解决方案，大幅提升了验证效率。

在实验设计与优化过程中，NanoTemper公司配备专业技术工程师进行培训并与本单位公共技术平台负责人通力合作，为方案优化提供了全面可行的建议，为研究团队获得准确详实的实验结果提供了助力。

期待NanoTemper公司未来继续以卓越技术赋能科研探索，与广大科研工作者同行，助力更多突破性成果的诞生。

作者简介及课题组介绍

廖欢，中国农业大学2020级博士研究生，师从杨淑华教授。研究方向为作物抗逆与营养高效的协同分子机制。相关成果2026年发表于《Nature》 ，授权国家发明专利4项。

杨淑华教授团队围绕植物低温响应信号转导与整合机制、玉米高纬度低温适应性调控以及低温与养分协同调控等前沿领域，持续开展系统深入的研究，取得了一系列具有国际影响力的原创性成果。相关研究论文发表在Nature、Cell、Mol Cell、Nat Plants、Mol Plant、Plant Cell、PNAS等国际主流学术期刊。