《Nature》一作精讀 | 中國農業大學楊淑華/施怡婷團隊精準重塑植物“冷-磷”調控樞紐

技術關鍵詞：AI蛋白設計|玉米抗寒|MST分子互作

一作解鎖CNS文章為何偏愛MST?

研究單位：中國農業大學

使用技術：MST分子互作

研究背景

玉米起源于熱帶，是全球最重要的糧食作物之一，對低溫極為敏感。春播生產中頻發的“倒春寒”常導致出苗緩慢、幼苗生長受阻，甚至引發顯著減產。低溫對作物的影響并不僅限于溫度脅迫本身，還會通過改變土壤理化性質間接加劇養分限制。

磷是植物能量代謝、信號轉導和細胞分裂不可或缺的關鍵營養元素。然而，在低溫條件下，土壤中磷的有效性下降，根系活性減弱，磷吸收效率顯著降低，進而引發“生理性缺磷”。因此，在寒冷環境下，作物往往同時面臨抗寒壓力和養分不足的雙重挑戰。這種內在拮抗成為遺傳改良中的關鍵瓶頸，嚴重制約產量穩定與資源利用效率的提升。在全球磷資源日趨緊張、肥料利用效率亟待提升的背景下，從分子層面闡明低溫應答和磷高效利用之間的協同調控機制，對于保障糧食安全與農業可持續發展具有重要意義。

研究內容

近期，中國農業大學植物抗逆高效全國重點實驗室楊淑華和施怡婷教授團隊在Nature發表題為“Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize”的研究論文。通過AI輔助蛋白設計與基因編輯，成功破解玉米耐寒性與磷吸收效率的經典性狀權衡，創制出兼具強耐寒性與高磷利用效率的新型種質，為應對氣候變化下的糧食穩產提供了堅實的理論支撐。

既往研究表明，SPX結構域蛋白是細胞內磷水平的感受器，但其是否參與低溫響應長期未知。圍繞這一關鍵問題，研究團隊系統篩選玉米SPX家族成員，最終鎖定關鍵調控因子NLA，并證實SPX家族蛋白在植物低溫響應中扮演著全新角色。

研究發現，NLA如同一個“分流閥門”，整合調控茉莉酸（JA）信號通路與磷酸鹽轉運過程。在低溫條件下，NLA蛋白在體內積累，一方面通過泛素化降解JA信號抑制因子JAZ11，激活JA介導的低溫信號轉導通路，從而提高玉米耐冷性；另一方面，NLA依賴其SPX結構域對肌醇多磷酸（InsPs）的感知能力，識別并泛素化降解磷轉運蛋白PT4，抑制根系對磷的吸收。這一“雙向調控”機制從分子層面解釋了耐冷性與磷吸收相互制約的內在原因。

為打破這一經典性狀權衡，研究團隊結合AlphaFold3結構預測與分子對接分析，精準定位SPX結構域中負責感知InsPs的關鍵區域，并利用CRISPR/Cas9技術在NLA基因中刪除12個堿基，構建新變體NLAΔ12。功能分析顯示，該變體對InsP的結合能力下降約50倍，幾乎喪失對InsPs的感知能力，不再與PT4結合并促進其降解，從而維持根系磷吸收能力；與此同時，NLA與JAZ11的互作不依賴于InsPs水平，NLAΔ12仍可有效降解JAZ11，維持甚至增強JA介導的耐冷信號通路。

通過這一基于結構信息的精準設計，研究團隊成功實現“保留抗寒、解除限磷”的功能解耦，在分子層面破解了長期存在的性狀權衡難題，體現了人工智能輔助蛋白設計與精準編輯技術在復雜性狀改良中的巨大潛力。

圖1. NLAΔ12調控玉米耐冷性、磷吸收效率的工作模型

在吉林公主嶺、河北涿州和海南三亞的田間試驗結果中顯示：在氣候相對溫暖的中低緯度試驗點（三亞和涿州），nlaΔ12新材料與對照材料的產量表現基本一致，差異未達顯著水平；而在高緯度、易發生低溫脅迫的公主嶺試驗點，新材料表現出顯著的產量優勢。為進一步評估其在不同生育階段應對低溫的能力，研究團隊通過設置早播、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，其穗部發育狀況和籽粒充實度均明顯優于對照材料。

總體而言，在低溫逆境下，nlaΔ12改良材料籽粒產量較對照提高約10%-15%，展現出良好的穩產增產潛力。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的優異自然變異。將人工改造的nlaΔ12與自然優良等位變異PT4A267進行組合后，后代材料在保持強耐寒性的同時，磷吸收能力進一步增強，呈現協同效應，顯示出良好的育種應用前景。

圖2. NLAΔ12在田間低溫脅迫條件下實現穩產增產

該成果標志著我國在復雜性狀協同調控與智能設計育種領域取得重要突破。

Nature同期發表了題為“Protein engineering fixes a major crop trade-off”的專題亮點評述文章。評述指出，該研究通過AI輔助蛋白設計與功能重塑，成功破解了作物性狀間的經典權衡，是分子機制解析與精準設計育種深度融合的代表性范例。評述專家指出，這種“一石二鳥”的策略有望拓展至氮等其他營養元素的高效利用，為培育適應多重脅迫環境的作物新品種提供了新路徑。

MST技術提供關鍵功能驗證

在本次研究中，利用NanoTemper分子互作技術平臺Monolith系列產品進行的微量熱泳動（MST）實驗在關鍵分子互作驗證和蛋白結構設計驗證兩個核心環節發揮了不可替代的作用。

分子互作平臺 Monolith X產品咨詢

「 輕松、快速、精準檢測分子間相互作用 」

研究團隊需要同時驗證NLA與InsPs的結合以及比較NLAΔ12與InsPs的結合是否顯著減弱，這要求檢測方法具有高靈敏度，且能夠在同一體系中對多個不同互作對進行定量比較。MST技術能夠在相近的實驗條件下快速測定多個互作對的Kd值，樣品消耗量極低，使研究團隊能夠在有限的蛋白樣品條件下完成全部驗證，成為破解此類高難度分子互作實驗的理想工具。MST結果顯示，正常的NLA蛋白與InsPs具有較高的親和力，而NLAΔ12與InsPs的結合能力下降約50倍，精準驗證了AI輔助設計的有效性。

該技術既幫助研究團隊證實了NLA感知InsPs這一核心分子機制，又為AI輔助設計的NLAΔ12變體提供了關鍵的功能驗證數據，連接了“結構設計”與“功能驗證”兩大環節，是推動本研究從分子機制解析走向精準設計育種的重要技術支撐。

圖3. NLAΔ12解耦玉米耐冷性和磷吸收抑制

研究團隊對MST技術的評價

研究團隊選擇MST技術，核心在于其無需固定、在溶液中進行檢測的獨特優勢。傳統互作技術如SPR需要將蛋白固定在芯片表面，可能影響蛋白天然構象，尤其對于NLA這類構象敏感的蛋白，固定化帶來的風險不容忽視。此外，NLA蛋白容易寡聚，純化得到的有活性蛋白量很少，難以進行ITC實驗。另一方面，配體分子InsPs極性非常強，使得二者的親和力檢測受到一定條件限制。

而MST技術完全在溶液中完成檢測，能夠最大程度還原體內真實的互作環境，且樣品消耗量低，這對于精確測定NLA與InsPs小分子的相互作用、驗證AI設計的NLAΔ12變體功能至關重要。MST技術另一個突出特點是卓越的靈敏度，檢測范圍橫跨pM至mM，能夠精準捕獲弱相互作用。同時樣品消耗極低，使研究團隊在有限的蛋白樣品條件下，能夠高效完成多個互作對的Kd值測定與比較。配合MO.Affinity Analysis軟件，為數據解析提供了高效、可靠的解決方案，大幅提升了驗證效率。

在實驗設計與優化過程中，NanoTemper公司配備專業技術工程師進行培訓并與本單位公共技術平臺負責人通力合作，為方案優化提供了全面可行的建議，為研究團隊獲得準確詳實的實驗結果提供了助力。

期待NanoTemper公司未來繼續以卓越技術賦能科研探索，與廣大科研工作者同行，助力更多突破性成果的誕生。

作者簡介及課題組介紹

廖歡 博士

中國農業大學

廖歡，中國農業大學2020級博士研究生，師從楊淑華教授。研究方向為作物抗逆與營養高效的協同分子機制。相關成果2026年發表于《Nature》 ，授權國家發明專利4項。

楊淑華教授團隊圍繞植物低溫響應信號轉導與整合機制、玉米高緯度低溫適應性調控以及低溫與養分協同調控等前沿領域，持續開展系統深入的研究，取得了一系列具有國際影響力的原創性成果。相關研究論文發表在Nature、Cell、Mol Cell、Nat Plants、Mol Plant、Plant Cell、PNAS等國際主流學術期刊。

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參考文獻

Liao H, Zhao X, Ren K, Guo L, Li Z, Liu Z, Zhang X, Su T, Fu D, Zhang Z, Zhuang J, Yang X, Tian F, Gong Z, Song W, Li Z, Shi Y, Yang S. Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize. Nature. 2026 Feb 25. doi: 10.1038/s41586-026-10142-1