Кукуруза боится холода: при низких температурах не только замедляется её рост, но и фосфор в почве оказывается «заблокированным». Это ставит кукурузу в сложную ситуацию, когда трудно одновременно и «согреться», и «насытиться». Команда Ян Шухуа и Ши Итин из Китайского сельскохозяйственного университета в своём последнем исследовании успешно обнаружила в клетках кукурузы «интеллектуальный переключатель». С помощью ИИ-ассистированного дизайна белков и генного редактирования они позволили кукурузе стать одновременно морозоустойчивой и эффективно поглощающей фосфор.

I. «Скрытый голод» кукурузы: двойная проблема холода и фосфора

Кукуруза, происходящая из тропиков, является одной из важнейших зерновых культур в мире, но она крайне чувствительна к низким температурам. Частые «возвратные заморозки» при весеннем севе часто приводят к медленному прорастанию всходов, задержке роста рассады и даже к значительному снижению урожайности.

Но вред от низких температур на этом не заканчивается. Фосфор — незаменимый ключевой питательный элемент для энергетического метаболизма, передачи сигналов и деления клеток растений. При низких температурах доступность фосфора в почве снижается, активность корневой системы ослабевает, эффективность поглощения фосфора значительно падает, что приводит к «физиологическому дефициту фосфора». Это означает, что кукурузе приходится не только «мерзнуть», но и «голодать на холоде» — одновременно сталкиваясь с двойным вызовом: стрессом от холода и недостатком питательных веществ.

Этот внутренний антагонизм стал ключевым узким местом в генетическом улучшении: повышение холодоустойчивости часто подавляет поглощение фосфора, эти два свойства подобны двум концам качелей — их трудно совместить. На фоне растущей нехватки глобальных ресурсов фосфора и острой необходимости повышения эффективности использования удобрений решение этой проблемы имеет важное значение для обеспечения продовольственной безопасности и устойчивого развития сельского хозяйства.

II. Научные достижения: поиск «распределительного клапана» и точная ИИ-«операция»

26 февраля 2026 года команда профессора Ян Шухуа и профессора Ши Итин из Национальной ключевой лаборатории устойчивости и эффективности растений Китайского сельскохозяйственного университета опубликовала исследовательскую статью в ведущем международном журнале Nature, впервые раскрыв ключевую роль E3 убиквитинлигазы NLA кукурузы как центрального узла в реакции на холод и регуляции поглощения фосфора.

Достижение 1: Обнаружение молекулярного узла координированной регуляции «холод-фосфор»

Исследовательская группа систематически отбирала членов семейства SPX кукурузы и в итоге определила ключевой регуляторный фактор NLA (белок адаптации к ограничению азота). Исследования показали, что NLA подобен точному «распределительному клапану», одновременно регулирующему сигнальный путь жасмоновой кислоты (JA) и процесс транспорта фосфатов:

При низких температурах белок NLA накапливается в клетках. С одной стороны, он убиквитинирует и деградирует супрессор JA-сигналинга JAZ11, активируя JA-опосредованный путь передачи сигналов холода, тем самым повышая холодоустойчивость кукурузы.

С другой стороны, NLA, благодаря способности своего SPX-домена воспринимать инозитолполифосфаты (InsPs), распознаёт и убиквитинирует фосфатный транспортер PT4, способствуя его деградации и подавляя поглощение фосфора корневой системой.

Это открытие раскрыло механизм «двунаправленной регуляции» NLA и на молекулярном уровне объяснило внутреннюю причину взаимного ограничения холодоустойчивости и эффективности поглощения фосфора в условиях низких температур, предоставив ключевой прорыв для решения проблемы компромисса признаков.

Достижение 2: ИИ-ассистированный дизайн белков для точного функционального развязывания

Чтобы преодолеть этот классический компромисс признаков, исследовательская группа, объединив предсказание структуры AlphaFold3 и анализ молекулярного докинга, точно определила ключевую область в SPX-домене, ответственную за восприятие InsPs. С помощью технологии генного редактирования CRISPR/Cas9 они удалили 12 пар оснований в гене NLA, успешно создав новый вариант NLAΔ12.

Функциональный анализ показал, что способность этого варианта связываться с InsP снизилась примерно в 50 раз, он практически потерял способность воспринимать InsPs и больше не связывался с PT4, способствуя его деградации — тем самым снимая ингибирование поглощения фосфора. В то же время взаимодействие NLA с JAZ11 не зависит от уровня InsPs, и NLAΔ12 по-прежнему эффективно деградирует JAZ11, поддерживая или даже усиливая JA-опосредованный путь сигналинга холода.

Благодаря этому точному дизайну на основе структурной информации команда успешно добилась функционального развязывания «сохранения морозостойкости и снятия ограничения по фосфору», на молекулярном уровне решив давнюю проблему компромисса признаков. Это демонстрирует огромный потенциал технологий ИИ-ассистированного дизайна белков и точного редактирования в улучшении сложных признаков.

Достижение 3: Полевые испытания подтвердили повышение урожайности на 10-15%

Чтобы проверить практическую эффективность, команда провела многоточечные полевые испытания в Гунчжулине (провинция Цзилинь), Чжочжоу (провинция Хэбэй) и Санье (провинция Хайнань).

Результаты показали, что на относительно тёплых испытательных участках средних и низких широт (Санья и Чжочжоу) новый материал nlaΔ12 и контрольный материал показали практически одинаковую урожайность. Однако на участке высоких широт в Гунчжулине, подверженном холодовому стрессу, новый материал продемонстрировал значительное преимущество в урожайности. Путём установки раннего, нормального и позднего сроков посева, имитируя возможные сценарии холодового стресса на стадии всходов и налива зерна, результаты показали: при раннем посеве в условиях низких температур выживаемость нового материала значительно повысилась; при позднем посеве, когда налив зерна совпал с низкими температурами, развитие початков и наполненность зёрен были явно лучше, чем у контрольного материала.

В целом, в условиях холодового стресса урожайность зерна улучшенного материала nlaΔ12 увеличилась примерно на 10-15% по сравнению с контролем, показав хороший потенциал для стабилизации и повышения урожайности.

Достижение 4: Синергетический эффект естественной вариации и искусственной модификации

Исследовательская группа также идентифицировала превосходные естественные варианты в генах JAZ11 и PT4, кодирующих сайты убиквитинирования, у инбредных линий кукурузы. После комбинирования искусственно созданного nlaΔ12 с естественным превосходным аллельным вариантом PT4A267, у потомства, сохранившего высокую холодоустойчивость, способность поглощать фосфор ещё больше усилилась, проявив синергетический эффект и показав хорошие перспективы для селекционного применения.

III. Технологическая сущность: переход от «эмпирической селекции» к «интеллектуальному дизайну»

Глубокая ценность этого исследования заключается в создании полной технологической цепочки «анализ механизма — ИИ-дизайн — точное редактирование — полевая проверка». Команда не только раскрыла механизм двунаправленной регуляции белка NLA, но и с помощью ИИ-ассистированного дизайна белков добилась точного преобразования его функций — это переход от «обнаружения явления» к «созданию новой функции».

Как отмечается в сопровождающей статье в том же выпуске Nature: это исследование, путём ИИ-ассистированного дизайна и функционального преобразования ключевого регуляторного белка, успешно решило классическую проблему компромисса между сложными признаками сельскохозяйственных культур и рассматривается как представительный пример глубокой интеграции молекулярного анализа механизмов и точной селекции. Этот результат предоставляет новую теоретическую основу и технологический путь для перехода от оптимизации отдельных признаков к системному дизайну адаптации к окружающей среде.

В совместной обзорной статье профессора Янь Цзяньбина из Хуачжунского сельскохозяйственного университета и молодого учёного Лю Цзе из Национальной лаборатории Ячжоувань далее прогнозируется, что эта стратегия «одним выстрелом убить двух зайцев» (two-in-one), развязывающая холодоустойчивость и поглощение фосфора, может быть расширена на регулирование эффективного использования других ключевых питательных элементов (таких как азот), что имеет важное значение для выведения новых сортов сельскохозяйственных культур, адаптированных к условиям множественных стрессов на фоне изменения климата.

IV. Перспективы применения: новое решение для продовольственной безопасности в условиях изменения климата

1. Противодействие экстремальным погодным явлениям, таким как «возвратные заморозки»

Частые «возвратные заморозки» при весеннем севе часто приводят к медленному прорастанию всходов кукурузы, задержке роста рассады и даже к значительному снижению урожайности. Этот новый генотип может обеспечить стабильную и повышенную урожайность в условиях холодового стресса, предоставляя эффективный инструмент для противодействия экстремальным погодным явлениям, вызванным изменением климата.

2. Снижение зависимости от фосфорных удобрений и экологических издержек

Фосфор является важным невозобновляемым ресурсом, мировые запасы фосфоритов ограничены. Это исследование, повышая собственную эффективность поглощения фосфора кукурузой, может способствовать снижению норм внесения фосфорных удобрений и уменьшению экологических издержек сельскохозяйственного производства.

3. Расширение на другие культуры и питательные элементы

Стратегия этого исследования является универсальной. Эксперты в обзорной статье отмечают, что эта стратегия «одним выстрелом убить двух зайцев» может быть расширена на регулирование эффективного использования других ключевых питательных элементов, таких как азот, и может быть применена для генетического улучшения других основных зерновых культур, таких как рис и пшеница.

4. Предоставление примера для интеллектуальной селекции

Это исследование продемонстрировало огромный потенциал ИИ-ассистированного дизайна белков и точного генного редактирования в улучшении сложных признаков, предоставив важный практический пример для будущего перехода селекции сельскохозяйственных культур от «ориентации на опыт» к «движению механизмами».

V. Промышленное значение: кукуруза теперь может и «согреться», и «насытиться»

Ключевая ценность этого исследования заключается в решении фундаментальной проблемы сельскохозяйственного производства. Раньше фермеры стояли перед дилеммой: ранний посев мог привести к снижению урожайности из-за холода, а поздний посев — к пропуску оптимального периода роста. А компромисс между морозостойкостью и поглощением фосфора долгое время был классической проблемой, мучившей селекционеров.

Теперь команда Китайского сельскохозяйственного университета с помощью ИИ-ассистированного дизайна нашла решение. Как сказала профессор Ян Шухуа: «Это как качели: как разорвать компромисс между холодоустойчивостью и эффективностью поглощения фосфора у кукурузы в условиях низких температур — команда предприняла множество попыток». В итоге они успешно создали новый вариант NLA, добившись направленной оптимизации и преобразования функций белка.

Когда кукуруза может одновременно и «согреться», и «насытиться» на холоде, это означает более стабильную урожайность, меньшее внесение удобрений, более сильную адаптивность к климату — в этом и заключается суть устойчивого сельского хозяйства.

Источник: Национальная ключевая лаборатория устойчивости и эффективности растений Китайского сельскохозяйственного университета; Авторы: соответствующие авторы — профессор Ян Шухуа, профессор Ши Итин; Первый автор — аспирант Ляо Хуань; Название: Rewiring an E3 ligase enhances cold resilience and phosphate use in maize (Перепрограммирование E3 убиквитинлигазы совместно повышает холодоустойчивость и эффективность использования фосфора у кукурузы); Опубликовано в: Nature (26 февраля 2026 г.)