作者:张晴丹 来源:中国科学报 发布时间:2021/1/28 15:30:39
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为什么有的动物尝不到甜味?

 

食虫蝙蝠(鼠耳蝠)           Sherri and Brock Fenton摄影.jpg

食虫蝙蝠(鼠耳蝠)     Sherri and Brock Fenton摄影    赵华斌供图

对于甜食,人们总是没有什么抵抗力,甜味被认为是“幸福的味道”。然而,在自然界中,却有一些动物完全对甜味“无感”,因为它们根本尝不到甜味。

为了探究其中的奥秘,武汉大学生命科学学院教授赵华斌团队选择蝙蝠开展相关研究,并成功找到了答案。1月22日,这项研究成果发表在美国《国家科学院院刊》上,他们发现了食虫蝙蝠不能感知甜味,并结合基因组数据分析、进化分析以及细胞功能实验等手段来深入挖掘,揭示了食虫蝙蝠无法品尝甜味的分子机制。

与食性密切相关

人和动物为何可以品尝食物的味道?这都要归功于味觉相关的受体基因。味觉对于动物的生存非常重要,大多数脊椎动物都具备最基本的5种味觉感知形式,包括酸味、甜味、苦味、咸味和鲜味。

“味觉会帮助动物选择食物,味觉受体基因以及功能的演化,通常与动物食性演化密切相关。”论文通讯作者赵华斌在接受《中国科学报》采访时表示。

以大熊猫为例,主要以竹子为食,不爱吃肉,这其中的主要原因是负责感知肉类鲜美的鲜味受体基因经过漫长岁月已经演化为“假基因”,即一种核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同,但却不能合成出功能蛋白质的失活基因,不再发挥作用,因而大熊猫无法感觉到肉的鲜味。

同样的,甜味受体基因则负责感知食物中的糖类物质,比如葡萄糖,果糖和蔗糖这三种最常见的糖类。赵华斌举例,一些“专一”的肉食动物只钟情于肉类,比如豹子、老虎和狮子等,因为其食物的成分由氨基酸和蛋白质组成,基本没有糖分,甜味的感知就逐渐被忽视,它们的甜味受体基因也演化为“假基因”,失去原有的功能。

然而,在有些动物类群中,味觉受体基因的序列演化并不能用于解释动物的取食生态学。

“我们对蝙蝠基因组进行了数据挖掘,得到了34种蝙蝠代表物种的甜味受体基因全长序列。其中,只有吸血蝙蝠的甜味受体基因是‘假基因’,这可能与其特殊的吸血食性和狭窄的食谱相关。但食虫蝙蝠与食果蝙蝠的甜味受体基因都是完整的。”论文第一作者、武汉大学生命科学学院特聘副研究员焦恒武博士告诉《中国科学报》。

进一步的进化分析也显示,这两类蝙蝠的甜味受体基因序列的进化速度相似,序列并未发生显著的改变。这表明,即使食虫蝙蝠的食物成分中已基本不含有糖分,它们的甜味受体基因并没有失活。

从细胞学和行为学来验证

然而,用味觉基因序列的演化模式来解释蝙蝠的食性是远远不够的。基因序列的保守并不一定意味着基因功能的保守。

“我们从细胞水平上进行研究,发现食虫蝙蝠的甜味受体基因虽然不是‘假基因’,但却不能感知糖类物质,而食果蝙蝠可以感知糖类物质。”焦恒武说。

那么,在行为水平上,食虫蝙蝠与食果蝙蝠的甜味感知是否有区别呢?

研究人员对一种食果蝙蝠(棕果蝠)和一种食虫蝙蝠(大足鼠耳蝠)进行了经典的“双杯实验”,即给蝙蝠一杯含糖的水或捣碎的虫浆作为实验组与一杯普通的水或虫浆作为对照组,观测并统计其取食量。

他们发现,棕果蝠更喜欢含糖的水,这表明其可以尝到甜味;而大足鼠耳蝠对含糖或不含糖的虫浆的取食量并无显著偏好,说明大足鼠耳蝠的甜味感知能力丢失了。

为了验证实验体系的合理性,团队又补充了一个对照实验,把给食虫蝙蝠的含糖虫浆的杯子换成加入苦味化合物奎宁的杯子,结果看到食虫蝙蝠对苦味物质明显拒绝。这充分证明了行为实验的可靠性。

最后,通过构建嵌合体进行细胞实验,研究人员进一步鉴定出导致食虫蝙蝠甜味受体丢失甜味感知功能的VFD关键功能域。正是因为食虫蝙蝠甜味受体的VFD关键功能域积累了一些突变,才导致其甜味感知功能的丢失。

基因功能发生转变

关于为什么食虫动物的甜味受体基因没有失活的问题,目前还没有答案。

通常来说,一个基因如果不再被需要,就会逐渐丢失。食虫蝙蝠的饮食习惯与糖分并无交集,但甜味受体基因却仍被保留下来,“说明这个基因仍然有用,我们推测它可能发生了功能转变。”焦恒武认为。

为了找寻功能,团队试验了十几种化合物,发现一个令人吃惊的现象。虽然行为学和细胞学实验证明了食虫蝙蝠的甜味受体不能感知天然糖分,但是这些甜味受体却具有感知其它化合物的功能。

实际上,这个工作也呼应了哈佛大学科研人员在2014年发表于《科学》的一篇论文,指出蜂鸟没有甜味受体基因但却可以感知甜味。“他们找到蜂鸟的一个鲜味受体发生功能转变,变成能够感知甜味。”赵华斌指出,“这也表示,甜味受体同样可以转变成其他功能,同时丢失其原有的功能。”

“这是很神奇的现象,功能会发生转变,可以从一个功能转为另外一个功能。可见,动物甜味受体基因的功能具有很强的进化可塑性。”赵华斌说,“未来会针对哺乳动物、脊椎动物开展相关研究,将会有更多的发现。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2021516118

 
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