SCI BULL | 武汉大学赵华斌团队通过基因重建揭示蝙蝠祖先可能为杂食性

2023-07-23 16:07

近期，武汉大学生命科学学院赵华斌教授团队在Science Bulletin发表了题目为“Common ancestors of bats were omnivorous suggested by resurrection of ancestral sweet receptors”的研究论文。该研究首次对祖先蝙蝠的甜味受体基因进行了序列重建和功能测定，揭示了蝙蝠祖先可能为杂食性，为蝙蝠飞行与回声定位起源的假说提供了新的证据。

图1. 相关论文在线发表于Science Bulletin

长期以来，学术界关于蝙蝠飞行和回声定位能力的演化顺序一直存在争议。由于蝙蝠普遍具有飞行和回声定位能力，蝙蝠祖先通常被认为是夜行性的食虫动物；然而，也有研究认为，蝙蝠祖先是昼行性的食果动物。如果后一个假说是正确的，蝙蝠飞行的演化很可能早于其回声定位的出现。不幸的是，关于祖先蝙蝠的食性缺乏来自于化石的直接证据；然而，通过研究与食性相关基因的功能演化，我们可以获得新的思路。

甜味觉与动物食性密切相关，负责感知甜味化合物的甜味受体由两种不同的蛋白质构成，分别是Tas1r2和Tas1r3。已有研究表明，在现生蝙蝠物种中，只有食果蝙蝠能够感知天然糖类，而食虫蝙蝠都丢失了该感知能力。为了解析蝙蝠祖先的食性演化历史及其在蝙蝠飞行和回声定位演化中的意义，该研究对蝙蝠主要谱系的甜味受体进行了祖先蛋白质重建和细胞水平的功能研究。基于最大似然法的氨基酸模型，重建并合成了蝙蝠关键祖先节点的甜味受体，利用钙流工作站检测它们对天然糖类的反应强度。翼手目（~10%）、阴翼手亚目（~10%）和狐蝠科（~30%）的祖先甜味受体能够感知天然糖类，而阳翼手亚目和该亚目内其他两个祖先枝的祖先甜味受体均不能感知。嵌合二聚体实验表明Tas1r2导致了阳翼手亚目祖先甜味觉的功能丢失，而Tas1r2和Tas1r3的共同突变使得新大陆果蝠重新获得了甜味觉。另外，人工甜味剂实验和荧光共表达实验证明了我们异源表达实验系统的可靠性。

综上所述，本研究在国际上率先证明，现生蝙蝠的共同祖先能够感知天然糖类。根据现生蝙蝠物种的味觉功能和食性的对应关系，再加上蝙蝠共同祖先对天然糖类感知能力较低（~10%），本研究推测蝙蝠共同祖先很可能为杂食性，即同时以昆虫和果实为食。该研究结果支持蝙蝠飞行能力进化早于回声定位的假说，即早期蝙蝠能够在没有回声定位能力的情况下飞行取食水果和昆虫。

图2：蝙蝠祖先(节点C)的甜味受体能感知天然糖类，但其对糖敏感性低于旧大陆食果蝙蝠祖先(节点A)，表明蝙蝠的共同祖先是杂食性的。

武汉大学生命科学学院博士生李映灿和华中师范大学生命科学学院焦恒武研究员为文章的共同第一作者，武汉大学生命科学学院赵华斌教授为通讯作者，合作者包括香港大学生物科学学院Simon Yung Wa Sin副教授、武汉大学生命科学学院硕士生王瑞琪、伦敦玛丽女王大学生物与行为科学学院Stephen J Rossiter教授。该研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323004619

专家点评：

Jianzhi George Zhang（美国密歇根大学教授、美国科学促进会会士、国际分子生物学与演化学会前主席、进化遗传学家）：

这是一项非常有趣的研究工作，它在利用祖先基因型推断祖先表型方面迈出了一大步。由于基因型-表型的关系和重建祖先基因型相对容易，许多科学家会通过对祖先基因的预测来推断祖先生物的表型。然而，在不同的表型特征中，基因型-表型关系可能会非常复杂，如动物的甜味受体基因和食性之间的关系。已有研究发现，尽管有些动物偏好糖类食物，却缺乏典型的甜味受体基因；而一些没有糖偏好的动物，它们的甜味受体基因却非常保守。在当前研究中，作者通过实验证明了重建祖先甜味受体基因的功能，推断出蝙蝠共同祖先的食性偏好。由于蝙蝠祖先的食性与蝙蝠飞行及回声定位的演化有关，该研究将促进蝙蝠起源及其独特生物学的相关研究。

Emma Caroline Teeling（爱尔兰都柏林大学教授、爱尔兰皇家科学院院士、动物学家）：

这是一项令人兴奋的新研究，作者通过进化分析的方法重建了蝙蝠祖先的味觉受体基因，揭示了蝙蝠取食行为的演化过程。不同的蝙蝠物种会以昆虫、水果、花粉、鱼或血液为食，此研究为蝙蝠味觉受体的演化提供了独特的见解。作者证明了蝙蝠祖先能够感知甜味，并推断出蝙蝠祖先为杂食性，能够以水果和昆虫为食。这一结论挑战了关于蝙蝠祖先为食虫食性的传统假说，该假说认为食果食性和对天然糖的感知是食果蝙蝠的次生适应的结果。另外一个有趣的结果是，新大陆食果蝙蝠演化出了一种独特的感知天然糖类的方式，为哺乳动物的感觉生物学研究提供了一条新途径。这项研究是利用功能基因组学将基因型和表型联系起来的一项令人激动的范例，为蝙蝠独特的感觉生物学研究提供了前所未有的独特见解。

来源：武汉大学生命科学学院

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