玉米怕冷，低温下不仅生长受阻，土壤中的磷也会被“锁”住——这让玉米陷入“保暖”与“管饱”难以两全的困境。中国农业大学杨淑华、施怡婷团队的最新研究，成功找到了玉米细胞里的“智能开关”，通过AI辅助蛋白设计与基因编辑，让玉米从此既能抗寒，又能高效吸磷。

一、玉米的“隐性饥饿”：冷与磷的双重困境

玉米原产于热带，是全球最重要的粮食作物之一，却对低温极为敏感。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。

但低温的危害不止于此。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。在低温条件下，土壤中的磷有效性下降，根系活性减弱，磷吸收效率显著降低，进而引发“生理性缺磷”。这意味着玉米不仅要“挨冻”，还要“饿着肚子挨冻”——同时面临抗寒压力和养分不足的双重挑战。

这种内在拮抗成为遗传改良中的关键瓶颈：提高耐冷性的同时，往往会抑制磷吸收，二者如同跷跷板的两端，难以兼得。在全球磷资源日趋紧张、肥料利用效率亟待提升的背景下，破解这一难题对于保障粮食安全与农业可持续发展具有重要意义。

二、科创亮点：找到“分流阀门”，AI设计精准“手术”

2026年2月26日，中国农业大学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国际顶尖期刊《自然》(Nature)发表研究论文，首次揭示了玉米中关键E3泛素连接酶NLA在低温响应与磷吸收调控中的核心枢纽作用。

亮点一：发现“冷-磷”协同调控的分子枢纽

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(氮限制适应蛋白)。研究发现，NLA如同一个精密的“分流阀门”，同时调控茉莉酸(JA)信号通路与磷酸盐转运过程：

低温下，NLA蛋白在体内积累，一方面通过泛素化降解茉莉酸信号抑制因子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。

这一发现揭示了NLA的“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。

亮点二：AI辅助蛋白设计，精准实现功能解耦

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基因编辑技术在NLA基因中删除12个碱基，成功构建新变体NLAΔ12。

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——从而解除对磷吸收的抑制;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。

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。

亮点三：田间试验验证，产量提升10%-15%

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;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。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。

亮点四：自然变异与人工改造协同增效

研究团队还在玉米自交系中鉴定到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。

三、技术内涵：从“经验育种”到“智能设计”的范式跃迁

这项研究的深层价值在于建立了“机制解析-AI设计-精准编辑-田间验证”的完整技术链条。研究团队不仅揭示了NLA蛋白的双向调控机制，更通过AI辅助蛋白设计实现了功能的精准重塑——这是从“发现现象”到“创造新功能”的跨越。

正如《自然》同期配发的评述文章所指出的：该研究通过对关键调控蛋白进行AI辅助设计与功能重塑，成功破解了作物复杂性状间的经典权衡，被视为分子机制解析与精准设计育种深度融合的代表性范例。该成果为作物改良由单一性状优化迈向系统性环境适应设计提供了新的理论框架与技术路径。

华中农业大学严建兵教授与崖州湾国家实验室青年科学家刘杰共同撰写的评述文章进一步展望，认为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。

四、应用前景：为气候变化背景下的粮食安全提供新方案

1. 应对“倒春寒”等极端天气

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。该新种质可在低温逆境下实现稳产增产，为应对气候变化导致的极端天气事件提供了有效工具。

2. 减少磷肥依赖，降低环境成本

磷是重要的非再生资源，全球磷矿储量有限。该研究通过提升玉米自身的磷吸收效率，有望减少磷肥施用量，降低农业生产的环境成本。

3. 拓展至其他作物与其他营养元素

该研究的策略具有普适性。评述专家指出，这种“一石二鸟”策略有望拓展至氮等其他关键营养元素的高效利用调控，并可应用于水稻、小麦等其他主粮作物的遗传改良。

4. 为智能设计育种提供范例

该研究展现了AI辅助蛋白设计与精准基因编辑在复杂性状改良中的巨大潜力，为未来作物育种从“经验导向”走向“机制驱动”提供了重要实践范例。

五、产业意义：让玉米既“保暖”又“管饱”

这项研究的核心价值在于解决了农业生产中的一个基础性难题。过去，农民面临两难选择：早播可能遭遇低温导致减产，晚播又可能错过最佳生长期。而抗寒与磷吸收的权衡，更是长期困扰育种家的经典难题。

如今，中国农大团队通过AI辅助设计找到了解决方案。正如杨淑华教授所言：“像一块跷跷板，如何打破玉米在低温环境下耐冷性与磷吸收效率的权衡，团队做了很多尝试。”最终，他们成功构建起NLA的新变体，实现了蛋白功能的定向优化与重塑。

当玉米在低温下既能“保暖”又能“管饱”，这意味着更稳定的产量、更少的化肥投入、更强的气候适应性——这正是可持续农业的核心要义。

来源：中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室；作者：共同通讯作者——杨淑华教授、施怡婷教授;第一作者——博士研究生廖欢；题目：Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize(重构E3泛素连接酶协同增强玉米耐冷性和磷利用效率)；发表于：Nature(2026年2月26日)