【重點】 ○研究發現,棲息於中南美洲的小型鳥類彩鹬,其對果食的適應,早於華麗的求偶行為和鮮豔羽色的演化。 ○研究證實,彩鹬演化出利用旨味受體(umami receptor)來感知果實中糖分的能力。 ○研究顯示,伴隨味覺和消化等基礎生理功能變化的食性轉變,可能促成了後續行為和繁殖策略的演化,進而につながった生物多樣性的創造。 【概要】 東京科學大學生命理工學院生命理工學系的戶田安香副教授(明治大學客座研究員)與明治大學農學部農藝化學科的石丸喜朗教授等研究團隊,與馬克斯普朗克研究所所長莫德·鮑德溫(Maude Baldwin)博士、東卡羅萊納大學克里斯多福·巴拉克里希南(Christopher Balakrishnan)副教授等人合作,針對棲息於中南美洲的小型鳥類彩鹬,進行了基因組、功能與演化分析的整合研究,揭示了其對果食的適應早於華麗的求偶行為和鮮豔羽色的演化。 彩鹬僅雄鳥擁有鮮豔的羽色,與雌鳥之間存在顯著的性二型。此外,雄鳥展現出鳥類中特別複雜且具特技表演性質的求偶行為,如翻滾、空中跳躍以及發出聲響的高速振翅等。然而,這些極端且精緻的行為是如何形成的,其演化背景尚未完全闡明。 研究團隊比較分析了五種彩鷸科鳥類的基因組,並進行了族群基因組分析和演化分析。結果發現,味覺受體T1R(術語1)和消化酵素LPH(乳糖酶-蔗糖酶)等基因受到了正向選擇(術語2)的影響。為此,研究團隊利用培養細胞進行了這些基因所製造蛋白質的功能分析,證實彩鷸演化出了感知糖分的能力,利用了旨味受體T1R1/T1R3。同時,LPH功能的降低,可能使得牠們即使食用未成熟的果實,體內也不會產生有毒化合物。這表明彩鷸可能能夠有效利用高營養的果實。 這些生理功能的改變發生在比鮮豔羽色和求偶行為演化更早的階段。也就是說,對果食的適應可能成為後來強烈性選擇的基礎。 本研究揭示了感覺(如味覺)和消化等基礎生理功能的演化,支撐了食性的轉變,進而驅動了行為和繁殖策略的大規模演化,最終につながった生物多樣性的創造。本研究成果已於美國東部時間6月10日刊載於「Current Biology」期刊。 1.Lance-tailed manakin(學名:Chiroxiphia lanceolata,中文俗稱:尾長彩鷸)。與雌鳥(右)相比,雄鳥(左)擁有鮮豔的羽色。專門以果實為食。攝影師:Esteban Mendez,地點:Isla Boca Brava, Panama ●背景 「性選擇」,如雄孔雀的羽毛所示,是透過異性競爭而產生的,是生物多樣形態和行為的重要因素之一。在鳥類中,彩鷸、極樂鳥、擬八哥等以鮮豔羽色和求偶行為聞名的鳥類,雖然分屬不同科,但都專門以果實為食。然而,這種食性與羽色及求偶行為演化之間的關聯尚未充分理解。 本研究聚焦於分佈於中南美洲的小型鳥類彩鷸。許多種類的彩鷸雄鳥會形成集體的求偶場(lek),並為爭奪雌鳥而進行激烈的求偶競爭。另一方面,牠們棲息於熱帶,全年可穩定利用果實,因此高度專門化以果食為主。過去曾指出,營養豐富的果實利用與性選擇有關,但其遺傳和生理背景尚未完全闡明。 ●研究成果 本研究以五種彩鷸科鳥類為中心,並納入其他鳥類進行比較基因組分析。結果顯示,彩鷸的性染色體(Z染色體)遺傳多樣性相較於常染色體有所降低,長期以來存在僅部分雄鳥繁殖成功的強烈性選擇。此外,在與食性相關的眾多基因中,如糖轉運體、代謝和消化相關的酵素、味覺受體等,均檢測到正向選擇。 進一步對味覺受體的機能分析顯示,彩鷸演化出了感知糖分的能力,原本無法識別糖的旨味受體(T1R1/T1R3)被用作糖受體。鳥類一般失去了構成甘味受體(T1R2/T1R3)的T1R2基因,因此無法感知糖的味道。然而,彩鷸透過轉用旨味受體作為糖受體,獲得了感知果實中糖分的能力。這種功能轉變在彩鷸系統的早期階段就已發生,並與對果食的適應密切相關。 透過培養細胞系對味覺受體的功能進行詳細分析,鑑定了22個對獲得糖受體能力至關重要的胺基酸變異。旨味受體下部嵌入細胞膜,食物中的味物質主要結合於細胞外暴露的廣大區域(細胞外區域)。此次鑑定的多數參與獲得糖受體能力的胺基酸變異集中在T1R3的細胞外區域(圖2)。 本研究團隊先前已報告,在利用花蜜和果實的蜂鳥、鳴禽和啄木鳥中,旨味受體也獲得了糖受體能力[參考文獻1-3]。有趣的是,蜂鳥與彩鷸一樣,重要的胺基酸變異集中在T1R3的細胞外區域;而與蜂鳥相比,與彩鷸更近緣的鳴禽,其變異則主要集中在T1R1的細胞外區域(圖2)。這些結果表明,彩鷸與其他蜜食性鳥類一樣利用旨味受體感知糖的味道,但其功能是透過不同系統的胺基酸變異獨立獲得的。 圖2.有助於獲得糖受體能力的胺基酸殘基(彩色部位)。在利用花蜜和果實的多種鳥類系統中,糖受體能力是獨立獲得的。蜂鳥和彩鷸的T1R3細胞外區域鑑定了多個重要的胺基