Gusztustalan egyedi étrendek

Az ecetmuslicák étrendje emberi szemmel nézve már épp eléggé gusztustalan: erjedő gyümölcsökön lakmároznak, sőt az utódaikat is ide rakják le ezek az apró rovarok. Az ecetmuslicák között is találunk azonban olyan fajt, amelynek az étrendje taszító a többi faj számára. A Drosophila sechellia nevű ecetmuslicafaj kizárólag a nonifa (Morinda citrifolia) gyümölcsét, a nonit fogyasztja. A gyümölcs szaga a legtöbb ember és a legtöbb muslicafaj számára igen kellemetlen, éppen ezért érdekes kérdés, hogy hogyan válhatott ez az ecetmuslicafaj a noni rajongójává.

Muslica a nonin

Ezt a különleges ecetmuslicát még 1980-ban fedezte fel a Seychelles-szigetek közé tartozó Cousin-szigeten két terepgyakorlaton lévő diák. Az állatot érdekes módon a nonin vették észre először. Ez azért meglepő, mert a noni gyümölcsöt az ecetmuslicák egyébként elkerülik, hiszen a főleg karbonsavak által kialakított szaguk taszító számukra, sőt a gyümölcs más anyagai akár veszélyesek is lehetnek az aprócska rovarokra (a noni szagát egyébként a hányáséhoz, vagy a gorgonzola sajtéhoz szokták hasonlítani). Idővel kiderült, hogy a Drosophila sechellia névre keresztelt faj egyedei kizárólag nonival táplálkoznak, és erre rakják petéiket is.

A szakemberek számára világos volt, hogy ez a faj példátlan lehetőséget kínál az étrendi specializáció evolúciójának vizsgálatára. Az állat közeli rokonaihoz képest eltérő étrenddel bír, ráadásul a közeli rokonai között egy olyan kedvelt modellorganizmust találunk, mint a Drosophila melanogaster, ami az egyik legintenzívebben kutatott élőlény a világon. Ez a speciális helyzet mindjárt felveti, hogyha a D. sechellia idegrendszerét összehasonlítjuk a D. melanogasterével, zömmel olyan különbségeket fogunk találni, melyek az előbbi faj speciális étrendjét magyarázzák, hiszen a viselkedésük csak a táplálékpreferenciájukban tér el markánsan.

muslicak
A D. melanogaster és a D. sechellia, illetve az utóbbi eledele, a Morinda citrifolia gyümölcse, vagyis a noni (Matsuo, 2008 – Journal of Neurogenetics).

Ezzel a megközelítéssel már született néhány izgalmas eredmény. Például az észak-amerikai préri földipocok közeli rokonaival ellentétben monogám, vagyis a párzást követően a hím és nőstény egyedek együttmaradnak, együtt gondoskodnak az utódokról, akár életük végéig is. A közeli rokonok viszont általában csak a párzási időszakban keresik fel egymást, egyébként magányosan élnek és gondoskodnak az utódokról. A préri földipocok idegrendszerének tanulmányozásával a kutatók kimutatták, hogy az oxitocin nevű jelzőmolekula jóval nagyobb hatást fejthet ki ennek a rágcsálónak az agyában. Később kiderült, hogy az oxitocinnak más fajoknál is fontos szerepe van a társas kapcsolatok létrejöttében.

A D. sechellia tehát hasznos kísérleti alanynak ígérkezett; számos vizsgálatot végeztek rajta felfedezése óta, és ezek sok fontos különbséget fedtek fel az állat biológiájában közeli rokonaihoz képest. Már a 2000-es évek elején kiderült, hogy az állat ízérző receptorai érzéketlenné váltak a noni gyümölcs kellemetlen ízét adó karbonsavakra, illetve azok a receptorfehérjék, melyek a gyümölcs által felszabadított észterekre és savakra érzékenyek, jóval nagyobb mennyiségben találhatók meg a D. sechellia neuronjaiban. Egy újabb vizsgálat szerint a D. sechellia teljes mértékben a nonira van utalva, ugyanis az agyműködése szempontjából központi fontosságú dopamin nevű ingerületátvivő előanyagához is ebből jut hozzá, azt már nem képes aminosavból szintetizálni (ahogy azt a többi ecetmuslica, sőt a többi állat is teszi).

Ezek az eredmények azonban pusztán korrelatívak, vagyis egyszerű együttjáráson alapulnak. Ezek alapján még közel sem világos, hogy a feltárt különbségek mekkora szerepet játszanak (már ha valóban relevánsak) az állat furcsa ízlésének létrehozásában. Egy német és amerikai kutatókból álló csoport ezúttal a legmodernebb géntechnológiai módszerek segítségével nemcsak megfigyelte, hanem manipulálta is az állatok szaglórendszerét, és így ok-okozati összefüggést tártak fel a D. sechellia szaglórendszerének egyes tulajdonságai és az egyedi ételpreferenciája között.

Hogyan módosítsuk az ecetmuslicák szaglórendszerét?

A Drosophila fején több ponton is előfordulnak a szaglást (távolsági kemorecepciót) szolgáló receptorsejtek: a csápon (antenna) és az ajaktapogatón (palpus labialis). Az itt lévő idegsejteken többnyire csak egy bizonyos receptorfehérje fordul elő, tehát a sejtek egyetlen receptorfehérje érzékenységének függvényében produkálnak jelet (azonban az egyes vegyületeket akár több receptor is kódolhatja, azzal, hogy különböző mértékben reagálnak a jelenlétére). Ez azt jelenti, hogy az itt lévő receptorsejtek által létrehozott jel megfeleltethető az adott vegyületnek, annak egyértelmű leképezése. Az azonos receptorfehérjéket kifejező sejtek a rovarok agyának csáplebenyébe és annak ugyanazon jól körülhatárolt részébe továbbítják a jelüket, így a csáplebeny aktivációsmintázata szintén egyértelműen megfeleltethető az épp érzékelt vegyület(ek)nek. Az ecetmuslicák szaglórendszerének felépítése és működése tehát lényegében nagyon hasonló a gerincesekéhez.

drosihead
A Drosophilák fején lévő szaglóreceptorok a csápon („Antenna”) és az ajaktapogatókon („Maxillary palp”) találhatók (Forrás: Vosshall és Stocker, 2008 – Annual Reviews of Neuroscience).

A kutatók olyan egyedeket hoztak létre három különböző ecetmuslica fajból (köztük a D. sechelliából és a D. melanogasterből), amikben a szaglóneuronok és a csáplebeny sejtjei is fluoreszcenssé váltak, amikor jelet továbbítottak. A kutatók először viselkedéses vizsgálatokkal erősítették meg, hogy a génmanipulált egyedek normálisan reagálnak a noni gyümölcsre. A D. sechellia példányai jóval nagyobb valószínűséggel közelítették meg a gyümölcsöt, mint a többi állat, tehát megjelent a normális viselkedéses tendencia. Ezután az állat fejéből készült friss metszeteken vizsgálták a szaglóreceptorok és a csáplebeny aktivációit a noni különböző szaganyagaira. Azt találták, hogy a D. sechelliánál jóval több receptorsejt és csáplebenyi neuron aktiválódott ezen vegyületek hatására, mint a két másik fajnál. A kutatók feltérképezték a noni által felszabadított vegyületekre aktiválódó receptorfehérjéket is, és megfigyelték ezek géntechnológiai inaktivációjának hatását. A receptorok inaktiválásával az egyes receptorsejtek elvesztették válaszkészségüket a noni gyümölcsre, ennek ráadásul viselkedéses következményei is voltak, mert a mutáns géneket hordozó egyedeket kevésbé vonzotta a noni, mint normálisan.

A kutatók a kísérletek során arra is felfigyeltek, hogy az egyik receptornak (Or22a) jóval markánsabb hatása volt a noni iránt mutatott attrakcióra, mint a többinek. A kutatók ezért fogták a gén D. melanogasterben megjelenő homológját (ami tulajdonképpen csak néhány aminosavban tér el a D. sechelliában találhatótól), és ezt illesztették be a D. sechellia genomjába a sajátja helyett. Ugyanezt megtették a D. melanogasterrel is – ez a D. sechellia receptorfehérjéjének génjét kapta meg. A csere eredményeképp a D. sechellia példányok jóval kevésbé voltak hajlamosak rászállni a noni gyümölcsre, míg a D. melanogaster egyedek a normálistól valamivel több érdeklődést mutattak iránta. Így tehát a kutatók ok-okozati kapcsolatot mutattak ki a D. sechellia szaglórendszerének és étrendjének egyediségei között.

Feltételezhető volt azonban, hogy a bűzös gyümölcs megkedvelése mögött nem csupán a szaglórendszer változásai állnak, hiszen ezek feltehetőleg csak a noni hatékonyabb észrevételét teszik lehetővé. A kutatók megvizsgálták a rovarok nonira érzékeny csáplebenyi idegsejtcsoportjainak kapcsolatait is, és azt találták, hogy az egyik útvonal a D. sechelliában egy egyedi leágazást képez, ami a többi fajnál nincs meg. Ezen a nyomon tovább indulva, hamarosan talán még többet tudhatunk meg a D. sechellia sajátos viselkedésének idegrendszeri hátteréről.

Úgy tűnik, hogy valaha egy ecetmuslica populáció a Cousin-szigeten találta magát, ahol a nonifán kívül nem találtak más táplálékot. Generációról generációra szelektálódtak ki azok az egyedek, melyek elkerülték a nonit, vagy érzékenyek voltak rá. A körülmények között kétségtelen, hogy előnyösek voltak azok a mutációk, amelyek érzékenyebbé tették az állat szaglórendszerét a nonira és azok is, melyek véső soron a gyümölcs megközelítésére sarkallták. Mára a D. sechellia egyedei már nem is képesek mással táplálkozni, és ez bizony jól jön a viselkedés evolúcióját tanulmányozó tudósoknak.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2020/16. számában jelent meg.

Források:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2073-7

https://media.nature.com/original/magazine-assets/d41586-020-00535-1/d41586-020-00535-1.pdf

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982216313318

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17506643/