Süßer Baumsaft, herzhafte Ameisen

Viele Säugetiere mögen Süßes. Vögel haben jedoch ihren Süß-Rezeptor im Laufe der Evolution verloren. Kolibris und Singvögel funktionierten darauf unabhängig voneinander ihren Umami-Geschmacksrezeptor zum Zucker-schmecken um. Wie aber nehmen andere Vögel Süßes wahr? Nun zeigen Forscher des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz (in Gründung) mit internationalem Team, dass auch Spechte Süßes schmecken können. Spannenderweise verloren die auf Ameisen spezialisierten Wendehälse diese Fähigkeit durch eine einfache Veränderung ihres Rezeptors wieder. Der neuartige Mechanismus zur Umkehrung sensorischer Fähigkeiten zeigt, wie Sinnessysteme sich an die Ernährung von Arten anpassen können.

Vögeln, den Nachfahren fleischfressender Dinosaurier, fehlt ein Teil des Süß-Rezeptors, der bei Säugetieren zu finden ist. Dadurch sollten sie Zucker nicht schmecken können. Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, dass sowohl Kolibris als auch Singvögel die Fähigkeit, Zucker wahrzunehmen, wiedererlangt haben: Durch Umfunktionieren des Geschmacksrezeptors für Umami können sie nun Kohlenhydrate in Früchten und Nektar erkennen. Wie andere Vogelarten Zucker wahrnehmen und inwieweit die Geschmacksrezeptoren die immense Nahrungsdiversität der Vögel widerspiegeln, ist unklar. Um dieser Frage nachzugehen, konzentrierten sich Julia Cramer und Maude Baldwin von der Forschungsgruppe Evolution Sensorischer Systeme und Kolleg*innen von weiteren Universitäten* auf Spechte. Obwohl diese Vögel in erster Linie Insektenfresser sind, gibt es unter ihnen auch mehrere Arten, die sich von zuckerreichen Baumsäften, Nektar und Früchten ernähren.

Mit Hilfe von Verhaltenstests mit Wildvögeln zeigte Baldwins Gruppe, dass Spechte Zucker und Aminosäuren gegenüber Wasser eindeutig bevorzugen. Überraschenderweise zeigten Wendehälse – Mitglieder der Spechtgruppe, deren Nahrung fast ausschließlich aus Ameisen besteht – eine Vorliebe für Aminosäuren, aber nicht für Zucker. „Wir haben uns daher gefragt, ob sich die beobachtete Vorliebe für Zucker auch auf Ebene der Rezeptoren der Vögel widerspiegelt“, berichtet Maude Baldwin.

Funktionsanalysen der Geschmacksrezeptoren bestätigten, dass die Rezeptoren von Spechten auf Zucker reagieren, die von Wendehälsen hingegen nicht. Interessanterweise deutete die Rekonstruktion von Rezeptoren ihrer Vorfahren darauf hin, dass der gemeinsame Urahn von Wendehals und Specht bereits einen modifizierten Umami-Rezeptor besaß, der Zucker erkennen konnte. „Dies belegt einen dritten Fall der unabhängigen Evolution des Zucker-Schmeckens durch Modifikation des Umami-Rezeptors bei Vögeln“, erklärt Julia Cramer, Erstautorin der Studie. „Noch spannender war jedoch die Tatsache, dass Wendehälse diese neue Funktion des Rezeptors dann wieder verloren haben.“

Cramers akribische Analyse der Unterschiede zwischen den Rezeptoren von Wendehals und Specht ergab Überraschendes: Die Veränderungen an nur einer einzigen Aminosäureposition im Wendehals-Rezeptor konnte die Zuckerwahrnehmung selektiv ausschalten. Die Vögel behielten dabei jedoch ihre Fähigkeit, Aminosäuren zu schmecken. Dies ist für Vögel, die sich auf proteinreiche Insekten als Nahrung spezialisiert haben, vermutlich wichtig.

Die Ergebnisse zeichnen eine spannende Evolutionsgeschichte nach: Spechte, oder vielleicht bereits einer ihrer Vorfahren der älter ist als die Spechte selbst, entwickelten schon früh die Fähigkeit, Zucker wahrzunehmen. Diese Veränderung wurde daraufhin zum Teil wieder umgekehrt, als der Wendehals-Rezeptor die Reaktion auf Süßes wieder verlor. „Wir waren sehr überrascht, dass diese Umkehrung durch die Veränderung nur einer einzelnen Aminosäure verursacht wird, die als selektiver molekularer Schalter für die Wahrnehmung von Zuckern bei Wendehälsen dient“, erzählt Cramer. „Offensichtlich führt diese kleine Veränderung dazu, dass Wendehälse Zucker in ihrer Nahrung nun nicht mehr erkennen können. Die Fähigkeit des Rezeptors, Informationen über den jeweiligen Aminosäuregehalt zu sammeln, blieb jedoch erhalten. Das macht auch Sinn, wenn der größte Teil der Nahrung aus Ameisen besteht.“

Weitere Untersuchungen können zeigen, wie bestimmte Veränderungen in den Geschmacksrezeptoren und in anderen physiologischen und sensorischen Systemen mit der großen Nahrungsvielfalt bei Vögeln zusammenhängen.

* Diese Studie ist eine Zusammenarbeit von Forschenden des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz (in Gründung), dem Cornell Lab of Ornithology, der Universität Wien und der Veterinärmedizinischen Universität Wien, der Meiji University, und der Swedish University of Agricultural Science.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Maude Baldwin
Forschungsgruppe Evolution Sensorischer Systeme
MPI für Ornithologie, jetzt Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz (in Gründung)
Telefon: +49 8157 932-437
E-Mail: maude.baldwin@bi.mpg.de

Originalpublikation:

Julia F. Cramer, Eliot T. Miller, Meng-Ching Ko, Qiaoyi Liang, Glenn Cockburn, Tomoya Nakagita, Massimiliano Cardinale, Leonida Fusani, Yasuka Toda, Maude W. Baldwin
A single residue confers selective loss of sugar sensing in wrynecks
Current Biology, online 18. August 2022

Weitere Informationen:

http://www.bi.mpg.de/baldwin/de – Webseite der Forschungsgruppe von Maude Baldwin
http://www.bi.mpg.de – Webseite des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz, in Gründun