棉铃虫和烟青虫同属鳞翅目夜蛾科铃夜蛾属,二者亲缘关系极近。尽管两物种的形态特征相似,但两物种在食性上表现出了相反的进化趋势,以致两物种的寄主植物范围存在显著性的差异。棉铃虫是典型的多食性昆虫,寄主范围甚广,能够以30多个科200多种植物为寄主;而烟青虫是典型的寡食性昆虫,寄主范围相对较窄,仅以茄科中的烟草和辣椒等为寄主。为了探究棉铃虫和烟青虫在食性方面的显著差异,本文分别从基因组和转录组两个层面分别比较了两物种的两个不同类型的反防御基因的差异。这两个反防御基因分别是植物防御激发因子水解酶——鳞翅目氨基酰化酶1（lepidopteran aminoacylase 1,L-ACY-1）和植物防御次生代谢物质的代谢酶——谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferases,GSTs）。L-ACY-1的水解底物——植物防御激发因子——脂肪酸氨基酸共轭物（fatty acid-amino acid conjugates,FACs）,是鳞翅目幼虫昆虫口腔分泌物和粪便的成分之一。禾本科的玉米、蝶形花科的大豆、茄科的茄子以及其他科的一些植物,可以通过对FACs的识别来调动自身的直接和间接防御反应。例如合成更多对植食性昆虫不利的植物次生代谢物质、蛋白酶抑制剂,或者释放挥发性的有机化合物（volatile organic compounds,VOCs）以吸引天敌等。尽管FACs可以激发植物防御反应对植食性昆虫带来不利,但是FACs也在植食性昆虫的氮同化中发挥重要作用。FACs的合成不仅可以降低中肠细胞中的谷氨酰胺,还可以通过贮存新合成的谷氨酰胺间接调节谷氨酰胺与谷氨酸之间的平衡。由于FACs的双面性,植食性昆虫调节自身口腔分泌物、肠道以及粪便中FACs的量,显得十分重要。而L-ACY-1是植食性昆虫用来平衡FACs利弊的重要基因之一。GSTs是植食性昆虫重要的植物次生代谢物质的解毒代谢酶之一。植物次生代谢物质能够对昆虫起到趋避、拒食、产生活性氧、抑制其生长繁殖或直接起到毒杀等作用对植食性昆虫带来不同程度的损伤,以实现植物自我保护。昆虫GSTs可以通过直接代谢植物次生代谢物质,或者提高昆虫对植物次生代谢物质带来的活性氧等的抗氧化能力等方式,起到增强自身的反防御的目的。显然,拥有更多L-ACY-1和GSTs同源基因、等位基因和不同的选择剪接型的植食性昆虫,可能拥有更强的反防御能力和更广的寄主范围。本研究通过比较和分析寄主范围显著不同的棉铃虫和烟青虫的反防御基因L-ACY-1和GSTs在基因组和转录组层面的多样性来揭示寄主谱差异的进化机制。一、棉铃虫和烟青虫L-ACY-1基因组和转录组层面的比较分析本研究通过对L-A CY-I的基因组层面展开分析,在两物种中分别鉴定得到了两条L-ACY-1基因。其中烟青虫的两条基因氨基酸序列完全一致,而棉铃虫的两条基因却积累了非同义的突变,拥有两个AA的差异。这个结果表明,棉铃虫L-ACY-1的水解底物FACs种类比烟青虫更广泛。这个结果也与棉铃虫取食更广泛的寄主植物中拥有更多种类的不饱和脂肪酸有相应的关系。通过转录组层面的比较分析,发现两物种L-ACY-J的转录本均只有一条,并没有发现有等位基因和不同选择性剪接型的存在。另外,在测序深度接近的前提下,通过对RPKM的比较,研究发现,两物种的L-ACY-1的表达具有组织特异性,同时烟青虫中肠L-ACY-1的RPKM值明显高于棉铃虫。二、棉铃虫和烟青虫L-ACY-1表达差异的比较研究多食性和寡食性昆虫如何用L-ACY-1来调节体内FACs利弊的平衡,至今仍然是未知的。为了解决这一问题,本研究通过不同的寄主植物、含不同植物毒素的人工饲料和营养比例不同的人工饲料饲喂棉铃虫和烟青虫,对不同处理中两个昆虫L-ACY-1的转录水平的进行了比较。研究发现三种植物饲喂的棉铃虫L-ACY-1的转录水平依旧较低,而辣椒的果实却可以明显的诱导烟青虫L-ACY-J的表达,棉桃却抑制了烟青虫L-ACY-1的表达。在植物毒素处理中,辣椒素明显诱导棉铃虫L-ACY-1表达;烟碱对烟青虫L-AC Y-1也具有诱导作用,但辣椒素和棉酚却轻微抑制烟青虫L-ACY-1的表达。在不同蛋白质和糖类物质比例人工饲料处理中,营养比例均衡的（P50:C50和P53:C47）和蛋白质重组的情况下,棉铃虫L-AC Y-1的转录水平依旧较低;而烟青虫L-AC Y-1的转录水平在营养均衡的情况下表达最高,营养比例不均衡的情况下,呈现不同程度的下降。另外,在大多数的饲喂处理下,烟青虫L-ACY-1的转录水平高于棉铃虫。这个结果表明,多食性昆虫的植物防御激发因子FACs其功能可能更侧重于去除体内过多的N类化合物,而寡食性昆虫的FACs则可能更侧重利用其参与N类物质的同化。三、棉铃虫和烟青虫GSTs在基因组层面的比较研究通过对棉铃虫和烟青虫雄性蛹的基因组测序结果分析,本研究鉴定了棉铃虫和烟青虫全部的胞质型GSTs基因,并对这些基因进行归类、命名,对两个物种GSTs的基因结构、scaffold分布以及基因进化关系等进行比较分析。首先,研究共鉴定了棉铃虫50个胞质型GSTs基因和2个假基因,鉴定了烟青虫48个胞质型GSTs基因和5个假基因。虽然二者GSTs基因的总数相近,但是在与解毒代谢密切相关的Epsilon家族中,棉铃虫比烟青虫多9个基因;Delta家族中,棉铃虫比烟青虫少3个基因。这个结果与两物种的寄主植物范围相符合。以上的结果表明,棉铃虫Epsilon家族的GST基因发生的基因倍增事件较多,而烟青虫Sigma和Delta家族发生的基因倍增事件较多。另外,烟青虫有个5个属于Sigma家族的假基因,而棉铃虫有2个归属于Epsilon家族的假基因,这些假基因主要是由突变导致基因编码的提前终止。最后,研究还鉴定了4个棉铃虫特异的 GSTs基因（HarmGSTS3、HarmGSTS4、HarmGSTS7、HarmGSTS9）,而没有找到烟青虫特异的GSTs基因,这暗示了烟青虫并不具有棉铃虫4个特异GSTs基因的功能。四、棉铃虫和烟青虫GSTs在转录组层面的比较研究棉铃虫和烟青虫的中肠和脂肪体的转录本是在测序深度接近的情况下通过转录组测序来进行比较的。纵观所有的测序结果,棉铃虫的unigenes有42704个,而烟青虫的unigenes有38241个,这表明多食性昆虫表达的基因多于寡食性昆虫。这个结果也与两物种测序的GSTs基因的转录本相符。研究结果表明,棉铃虫中胞质型GSTs的转录本共69条,烟青虫中胞质型GSTs的转录本共47条。将这些unigene与基因组GSTs基因比较发现,在中肠和脂肪体中,棉铃虫的50个GSTs基因表达了 35个基因,而烟青虫的48个GSTs基因表达了 31个基因,其中5个假基因表达了 2个。而棉铃虫的unigenes剩余的34条序列和烟青虫剩余的14条序列均为已表达基因的不同等位基因或者不同选择性剪接以及“融合”旁系同源基因。棉铃虫多出的34个转录本中有22条转录本是已表达基因的等位基因,烟青虫多出的14条转录本中有11条是已表达基因的等位基因。在棉铃虫中,有7条unigene是4个基因通过基因“融合”而生成的“融合”旁系同源基因,而烟青虫中却没有此类情况的GSTs。剩余的unigene是则大多为不同的选择性剪接型。在棉铃虫中,发现了 3例典型的选择性剪接,分别为内含子保留型选择性剪接型、外显子遗漏型选择性剪接型和启动子及第一个外显子选择性剪接型。在烟青虫中,发现了 3例内含子保留型选择性剪接型和1例启动子及第一个外显子选择性剪接型。另外,棉铃虫有两个基因（HarmGSTE17和HarmGSTE18）具有互斥型的外显子选择性剪接,但烟青虫相应的直系同源基因却没有发现有此种类型的互斥型外显子选择性剪接。综上所述,在棉铃虫和烟青虫的转录组中,本研究发现棉铃虫比烟青虫在中肠和脂肪体中有更多表达的GSTs基因、等位基因和更多的选择性剪接型。这表明,多食性的棉铃虫以GSTs为基础的反防御能力比寡食性的烟青虫更强。综合对GSTs基因组和转录组的分析,发现基因倍增、基因丢失、“融合”旁系同源基因基因、等位基因和选择性剪接型均从不同层面增加了棉铃虫GSTs及其表达的多样性。棉铃虫有功能的GSTs和分解外源物质的GSTs不仅在基因个数上比烟青虫多,而且等位基因也比烟青虫多,同时棉铃虫GSTs表达时的选择性剪接型也比烟青虫更多样,意味着棉铃虫能分解更多的植物次生代谢物质,取食更多的寄主植物。