【科研论文科普解读】怕冷的玉米，有了“保暖又管饱”的新方案

  你有没有过这种感觉，天一冷就容易浑身“不得劲”？其实玉米也有类似的烦恼。

  玉米是全球最重要的粮食作物之一，是个怕冷的热带居民。春播生产中频发的“倒春寒”常导致玉米出苗缓慢、幼苗生长受阻，甚至引发显著减产，让玉米陷入一种“隐性饥饿”。

  这种饥饿，不是没吃饱，而是缺了一种关键营养——磷。

  磷是植物能量代谢、信号转导和细胞分裂不可或缺的关键营养元素。低温条件下，土壤里的磷元素会被“锁”住。磷是植物生长的“能量货币”，吸不到磷，玉米就得饿着肚子挨冻，雪上加霜。

  如今，这个难题被我国科学家成功攻克。2月26日，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团队在Nature发表题为“Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize（中文翻译：重构E3泛素连接酶协同增强玉米耐冷性和磷利用效率）”的研究论文。该研究找到了玉米细胞里的“智能开关”，E3泛素连接酶NLA（NITROGEN LIMITATION ADAPTATION），对其进行精密的“基因手术”，实现了NLA蛋白功能的定向优化与精准重塑，让玉米从此既能抗寒，又能高效吸磷。

  该项研究成功解耦了作物耐寒性与磷吸收的负相关，创制出兼具强耐寒性和高磷利用效率的新型玉米种质，有效提升了低温胁迫下的产量表现。

  研究团队通过系统筛选玉米SPX家族成员，最终锁定关键调控因子NLA。它像一个“分流阀门”，低温条件下，NLA蛋白积累，一方面降解玉米体内抑制抗寒信号组分JAZ11，提升玉米耐冷性；另一方面会通过自身的特殊结构，识别并泛素化降解磷转运蛋白PT4，抑制根系对磷的吸收。

  能不能只去掉NLA的“监控”功能，保留它的“抗寒”功能？

  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。

  改造后的变体，让玉米既能像以前一样启动抗寒机制，又能在低温下畅通无阻地吸收磷元素。

  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。结果显示，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。

  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。

  据了解，这一突破性成果标志着我国在作物复杂性状协同调控机制解析与智能设计育种领域取得重大进展，为在气候变化背景下实现粮食稳产增产与资源高效利用提供了坚实的理论支撑。

NLAΔ12新变体协同调控玉米耐冷性、磷吸收效率和产量稳定性工作模型

  华中农业大学严建兵教授、崖州湾国家实验室青年科学家刘杰在Nature同期合作撰写的评述文章表示，这种解耦冷耐受与磷吸收的“一石二鸟（two-in-one）”策略，有望拓展至其他关键营养元素（如氮）的高效利用调控，对培育适应气候变化背景下多重胁迫环境的作物新品种具有重要意义。

  据了解，本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。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。

  科学性审核：杨淑华 中国农业大学生物学院植物抗逆高效全国重点实验室教授

  记者：武玥彤