古老基因库揭示主粮作物近期进化自救的秘密

高粱作为重要的粮食作物，近年来在全球范围内遭遇了由甘蔗蚜（Melanaphis sorghi）引发的重大虫害。幸运的是，部分高粱品种迅速演化出抗性，避免了大规模减产，这一现象被称为“进化救援”。本研究揭示了这一救援背后的遗传与分子机制：一个名为RMES1的基因位点在其中发挥了关键作用。

研究人员通过构建近等基因系（NIL），证实携带RMES1基因的高粱能显著抑制蚜虫的繁殖能力。进一步的电穿透图谱（EPG）实验显示，蚜虫在抗性植株上更难找到韧皮部进行取食，其唾液分泌和吸食时间大幅缩短，说明RMES1干扰了蚜虫的取食行为。

分子层面分析表明，RMES1并非通过传统的氰化物毒性机制发挥作用，而是激活了广泛的免疫响应。在受到蚜虫侵害后，抗性植株的代谢组和转录组发生显著变化，多种防御相关代谢物如单宁、木质素前体和黄酮糖苷被上调。同时，超过15%的基因表达发生改变，远高于感性植株的2%，显示出强烈的系统性免疫激活。

深入研究发现，RMES1位点包含多个串联排列的NLR类抗病基因（即编码核苷酸结合位点-富亮氨酸重复蛋白的基因）。这类基因通常在植物识别病原体并启动防御反应中起核心作用。然而，RMES1相关的两个关键基因——RMES1A和RMES1B——结构异常：它们缺少典型的N端卷曲螺旋（CC）结构域，且其ATP酶活性位点存在突变，理论上应导致功能丧失。这种“非典型”结构提示其可能通过不同于常规NLR蛋白的机制调控免疫，例如以异源二聚体形式发挥功能。

尽管结构特殊，RMES1仍能激活典型的植物防御通路。研究发现，水杨酸（SA）水平在抗性植株中上升约10倍，且相关防御基因如PR1和WRKY转录因子被显著诱导，表明SA信号通路是其核心响应路径。此外，与死亡酸合成相关的9-脂氧合酶基因也被强烈上调，进一步增强了对蚜虫的化学防御。

通过对高粱泛基因组的分析，研究人员发现RMES1所在的NLR基因簇在不同品种间拷贝数差异极大，存在明显的结构变异。这种多样性源于长期的基因复制与丢失过程。更为重要的是，该基因簇在禾本科植物（如水稻、二穗短柄草、绿黍）中具有高度保守的共线性，说明其起源极为古老。类似的功能基因也存在于水稻中（如BPH40），暗示这类抗韧皮部取食昆虫的能力可能是禾本科植物祖先就具备的古老防御特征。

在全球高粱种质资源中，具备完整RMES1A和RMES1B基因的抗性单倍型极为稀有，仅在东非和也门等地的少数地方品种中发现。这说明该抗性等位基因原本以低频形式存在于自然群体中，属于“现存遗传变异”。当蚜虫大爆发时，这一稀有变异迅速被自然选择或育种实践所利用，从而实现了作物的快速适应。

综上所述，这项研究揭示了作物如何通过古老的、结构特殊的免疫基因实现对新出现害虫的快速抵抗。RMES1的案例表明，泛基因组中的稀有结构变异是进化救援的重要遗传来源。未来，通过系统挖掘作物泛基因组中的此类变异，有望提前识别和部署潜在的抗性基因，增强农业系统应对突发生物胁迫的能力，保障粮食安全。