《Biological Control》：Exploring genomic signatures of host specificity using the transcriptomes of two specialist geometrids
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植食性昆虫在寄主广度上表现出显著差异，已有研究提出多种驱动寄主特化或多样化演化的因素，包括对寄主植物的适应性响应、遗传变异、感觉限制以及植食者间的竞争互作。这些因素往往相互依存，使得寄主广度演化成为一个复杂的过程。除演化意义外，寄主广度还具有应用价值：广食性害
植食性昆虫在寄主广度上表现出显著差异，已有研究提出多种驱动寄主特化或多样化演化的因素，包括对寄主植物的适应性响应、遗传变异、感觉限制以及植食者间的竞争互作。这些因素往往相互依存，使得寄主广度演化成为一个复杂的过程。除演化意义外，寄主广度还具有应用价值：广食性害虫因其利用多样寄主的能力而给害虫治理带来特殊挑战，而杂草生物防治则高度依赖寄主范围极窄的天敌以确保安全性。
寄主利用过程由一系列行为和生理步骤支撑，包括定位潜在寄主所在生境、发现寄主、接受其用于取食或产卵，并最终在其上完成发育。该过程的每一步都依赖于对复杂感觉信号的感知与整合，其中视觉和嗅觉信号引导昆虫趋向适宜生境和寄主植物，而寄主接受与适宜性则主要取决于味觉感知和解毒植物次生代谢物的能力。一系列化学感受受体及相关酶介导寄主来源信号的检测，解毒酶则帮助昆虫克服植物毒素，这些受体与酶共同构成支撑寄主利用的关键生理机制。
研究人员前期综述发现，专食性物种通常比广食性近缘种拥有更少的寄主适应基因，且基因获得或丢失是造成这种基因库规模差异的基础。该模式在鞘翅目和双翅目中得到了有力支持，而鳞翅目中的证据有限且多为间接。理解专食性与广食性之间的遗传差异，有望帮助生物防治实践者更好地预测候选天敌的寄主范围并自适应地完善风险评估框架。然而，杂草生物防治天敌转录组资源的匮乏限制了准确预测寄主特异性的能力。
为弥补这一空缺，研究人员构建了两种专食性生物防治天敌——Eueupithecia cisplatensis和E. vollonoides（鳞翅目：尺蛾科）的转录组资源，并将其基因库规模与广食性尺蛾物种进行比较。这两种天敌分别于2012年和2014年在澳大利亚释放，用于防治入侵杂草Parkinsonia aculeata，此前已对其寄主特异性进行了严格评估。在包含目标杂草科（豆科）71种植物在内的寄主特异性评估中，两种天敌仅在P. aculeata上完成生活史，E. cisplatensis仅额外在杂草原产地同属物种P. praecox上完成发育，其余物种均在评估开始后四天内出现幼虫死亡，证实了这两种天敌狭窄的寄主范围及其对P. aculeata和P. praecox的高度专化。
一、研究背景与科学问题
寄主广度演化是昆虫-植物互作研究的核心议题之一。植食性昆虫在寄主利用范围上差异显著，从严格单食性到广泛多食性均有分布。理解驱动寄主特化或广化的机制，不仅具有演化生物学意义，还对害虫治理和杂草生物防治具有直接应用价值。广食性害虫因能利用多种寄主而易于扩散和定殖新环境，给害虫管理带来挑战；而杂草生物防治则依赖寄主范围极窄的天敌来确保对非靶标植物的安全性。因此，解析寄主利用的遗传基础，有望为生物防治天敌的风险评估提供分子层面的预测工具。
已有研究表明，专食性昆虫通常比广食性近缘种拥有更少的寄主适应基因，基因家族的获得与丢失是造成这种差异的潜在机制。该模式在鞘翅目和双翅目中已有较充分证据，但在鳞翅目中的证据有限且多为间接。此外，现有比较研究多涉及系统发育关系较远的物种，且数据来自不同研究设计、不同组织来源和不同组装流程，可能影响基因计数和结论的稳健性。杂草生物防治天敌的转录组资源尤为稀缺，限制了利用基因组特征预测寄主特异性的可行性。
二、研究内容与主要结论
为填补这一空缺，研究人员构建了两种专食性杂草生物防治天敌——Eueupithecia cisplatensis和E. vollonoides（鳞翅目：尺蛾科）的转录组资源，并与多种广食性尺蛾物种进行基因库规模比较。两种天敌均以入侵杂草Parkinsonia aculeata为专性寄主，此前已通过包含71种豆科植物的寄主特异性评估，确认其狭窄寄主范围。研究聚焦于两类与寄主利用密切相关的功能基因：化学感受基因（包括OBPs、ORs、GRs、IRs和CSPs）和解毒基因（包括CYPs、酯酶、GSTs和UGTs），同时筛查了消化蛋白酶基因。研究将尺蛾物种分为专食性（E. cisplatensis、E. vollonoides、E. obliqua和P. atrilineata）和广食性（含寡食性和多食性）两类进行统计比较。
主要结论如下：两种Eueupithecia物种的化学感受基因数量显著低于广食性尺蛾，其中嗅觉相关基因（OBPs+ORs合并）和IRs的差异达到统计学显著水平；CSPs数量与部分广食性物种相当；GRs虽表现出差异趋势但未达显著。解毒基因方面，Eueupithecia物种的CYP基因数量少于多数广食性物种但未达统计显著，GSTs数量与广食性物种差异不显著，CXEs数量与广食性E. grisescens相当。总体而言，化学感受基因在专食性与广食性之间的差异比解毒基因更为明显。该研究发表在《Biological Control》。
三、关键技术与方法
研究人员从澳大利亚昆士兰州Dutton Park生态科学中心实验室饲养的种群中采集两种Eueupithecia物种的三龄幼虫，每种各6头，以P. aculeata为食饲养，液氮速冻后保存于RNAlater中。采用E.Z.N.A.? Total RNA试剂盒提取总RNA，经质量检测后构建cDNA文库，在Illumina HiSeq 2500平台上进行双端150 bp测序。原始读段经fastp质控过滤后，使用Trinity v2.10.0进行de novo组装，Corset聚类去冗余后获得unigene。功能注释比对多个数据库，包括NCBI Nt、Nr、SwissProt、KOG、Pfam、GO和KEGG。随后筛查与化学感受（OBPs、ORs、GRs、IRs、CSPs）、解毒（CYPs、CXEs、GSTs、UGTs）和消化蛋白酶相关的同源转录本，并与已发表的尺蛾物种数据进行统计比较。
四、研究结果
4.1 转录组资源质量、组装与注释
两种Eueupithecia物种均获得高质量转录组数据。E. cisplatensis的Q20为98.03%-98.51%，Q30为94.33%-95.49%，N50为1938 bp；E. vollonoides的Q20为97.90%-98.55%，Q30为93.98%-95.62%，N50为1678 bp。E. cisplatensis共组装91,052,459个核苷酸，获得68,503个功能转录簇，其中41,527个unigene在至少一个数据库中获得注释；E. vollonoides组装62,922,989个核苷酸，获得55,244个功能转录簇，其中36,155个unigene获得注释。序列同源性分析显示，两种物种的转录本均与Spodoptera litura、Helicoverpa armigera、Bombyx mori等鳞翅目物种具有较强同源性。
4.2 功能注释转录本
E. cisplatensis中13,199个功能注释基因被分配到24个生物学过程、11个分子功能和17个细胞组分GO条目中，主要富集于代谢过程、细胞过程、结合和催化活性等类别。KOG分类涵盖25个功能类别，以一般功能预测、信号转导机制和翻译后修饰为主。KEGG通路注释显示代谢通路和信号转导所占比例最大。E. vollonoides的GO、KOG和KEGG分布模式与E. cisplatensis相似。
4.3 寄主利用相关功能基因同源物
4.3.1 化学感受基因同源物
E. cisplatensis和E. vollonoides分别记录到59和48个化学感受基因。两种Eueupithecia物种的嗅觉基因（OBPs+ORs合并）和IRs数量显著低于寡食性或广食性尺蛾（OBPs+ORs: t(5)=3.484, p<0.05; IR: t(4)=4.782, p<0.01）。CSPs数量低于广食性的E. grisescens和S. subpunctaria，但与O. brumata和S. cinerearia相当，差异不显著。GRs在专食性与广食性之间的比较未达统计显著。
4.3.2 解毒基因同源物
E. cisplatensis和E. vollonoides分别鉴定到58和50个CYP基因，多数属于Clan3（以CYP6家族为主），其次为Clan4、Clan2和线粒体clan。两种Eueupithecia物种的CYP基因数量少于广食性的O. brumata、S. subpunctaria和E. grisescens，但因专食性P. atrilineata拥有与S. subpunctaria相当数量的CYP基因，组间差异未达统计显著。两种Eueupithecia物种均鉴定到25个CXE基因，与广食性E. grisescens数量相当。GST同源物在E. cisplatensis中为20个、E. vollonoides中为21个，数量略低于O. brumata但高于E. grisescens，统计比较不显著。
4.3.3 消化蛋白酶
两种Eueupithecia物种的转录本匹配到丝氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸和金属蛋白酶等多个家族。丝氨酸和金属蛋白酶最为丰富，半胱氨酸和天冬氨酸蛋白酶较少。丝氨酸蛋白酶涵盖PA（胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶）、SB（枯草杆菌蛋白酶）、SC、SE、SF、SK、ST和PC等多个clan；半胱氨酸蛋白酶分布于CA、CD、CE和CF clan；天冬氨酸蛋白酶包括早老素、肽酶A、DDI1和GxGD家族；金属蛋白酶分布于M1-M3、M10、M12-M14、M16-M17、M19-M20、M24、M28、M41、M48、M50、M62和M76等多个家族。因缺乏其他尺蛾物种的消化蛋白酶数据，未进行组间比较。
五、讨论与结论
研究结果表明，两种专食性Eueupithecia物种的化学感受基因数量显著少于广食性尺蛾，支持了专食性物种拥有较少寄主适应基因的假设。这一差异在化学感受基因中比在解毒基因中更为明显，可能反映了两类基因家族在寄主专化过程中的不同演化压力。化学感受基因直接参与寄主定位和接受，寄主范围收窄可能导致这些基因的丢失或假基因化；而解毒基因除寄主适应外还参与其他生理过程，其演化模式可能更为复杂。
研究强调，在尺蛾科内部进行比较比跨鳞翅目比较能提供更清晰的分辨率，因为近缘物种间的比较可减少系统发育背景差异带来的干扰。然而，现有尺蛾基因组资源有限，多数物种为茶树害虫，且部分物种的寄主范围记录不完整，可能影响分类和比较的准确性。此外，本研究仅使用幼虫组织，可能遗漏成虫触角中丰富的化学感受基因，这可能导致对Eueupithecia物种化学感受基因数量的低估。
研究结论认为，专食性与广食性尺蛾在基因库规模上存在差异，基因组特征有望为杂草生物防治天敌的寄主特异性预测提供辅助工具。但该方法的实际应用仍需更多系统发育受控的比较基因组数据，特别是同属物种对的靶向比较研究。目前，基因组特征尚不足以单独满足天敌释放的监管要求或替代传统寄主特异性测试，但根据其预测能力，基因组特征可帮助优化和加速杂草生物防治的风险评估流程。
