Gymnosperm and fern multifunctional bHLH transcription factors control stomatal development
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जिम्नोस्पर्म और फर्न के bHLH ट्रांसक्रिप्शन कारक रंध्र विकास में व्यापक, ओवरलैपिंग भूमिकाएँ रखते हैं, जो एक ऐसे मॉडल का समर्थन करता है जहाँ एंजियोस्पर्म में देखी गई चरण-विशिष्ट विशिष्टता इन पूर्वज, बहुक्रियाशील क्षमताओं के क्रमिक विभाजन के माध्यम से विकसित हुई।
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पौधे अपनी पत्तियों पर मौजूद स्टोमेटा (stomata) नामक सूक्ष्म छिद्रों के माध्यम से सांस लेते हैं। ये छिद्र समायोज्य द्वारों (adjustable gates) की तरह कार्य करते हैं, जो प्रकाश संश्लेषण के लिए कार्बन डाइऑक्साइड को अंदर आने देने के लिए खुलते हैं और पानी को बाहर निकलने से रोकने के लिए बंद हो जाते हैं। ज़मीन पर जीवित रहने के लिए पौधों को इन द्वारों को विश्वसनीय रूप से बनाने का एक तरीका चाहिए था। एक स्टोमेटल पोर (stomatal pore) का निर्माण घटनाओं का एक सावधानीपूर्वक समयबद्ध क्रम है, जहाँ एक एकल त्वचा कोशिका (skin cell) विभाजित होकर दो विशिष्ट कोशिकाओं का जोड़ा बनाती है जो इस छिद्र को घेरे रहती हैं। फूलों वाले पौधों (flowering plants) में, यह प्रक्रिया तीन अलग-अलग प्रोटीन स्विचों की एक टीम द्वारा निर्देशित होती है, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट क्षण में जिम्मेदारी लेता है: एक प्रक्रिया शुरू करने के लिए, एक मध्य चरण को आकार देने के लिए, और एक काम पूरा करने के लिए। वैज्ञानिक लंबे समय से सोचते रहे हैं कि यह सटीक, तीन-भाग वाली प्रणाली कैसे विकसित हुई। क्या ये प्रोटीन एक एकल, सर्व-उद्देशीय उपकरण के रूप में शुरू हुए जो बाद में विशेषज्ञों में विभाजित हो गए, या आधुनिक पौधों के पूर्वजों के पास पहले से ही एक जटिल टीम थी?
इस उत्तर को खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने फूलों वाले पौधों से पहले के दो प्राचीन वंशों की ओर ध्यान आकर्षित किया: फर्न (ferns) और कॉनिफर्स (conifers)। उन्होंने नॉर्वे स्प्रूस (Norway spruce), जो एक विशाल सदाबहार वृक्ष है, और वॉटर फर्न (water fern), जो एक तेजी से बढ़ने वाला जलीय पौधा है, पर ध्यान केंद्रित किया। इन प्रजातियों के जेनेटिक ब्लूप्रिंट (genetic blueprints) की जांच करके, टीम ने पाया कि फूलों वाले पौधों के विपरीत, जिनमें स्टोमेटल विकास के लिए तीन अलग-अलग जीन होते हैं, इन प्राचीन पौधों में केवल दो ही जीन हैं। एक जीन फूलों वाले पौधों के "स्टार्टर" (starter) और "मिडल" (middle) प्रोटीनों के समान है, जबकि दूसरा "फिनिशर" (finisher) जैसा दिखता है। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए प्रयोग किए कि क्या ये दो प्राचीन जीन तीनों का काम कर सकते हैं, या वे पहले से ही विशेषज्ञता प्राप्त कर चुके थे। उन्होंने एक श्रृंखला में प्रयोग किए जहाँ उन्होंने इन प्राचीन जीनों को सामान्य थैले क्रैस (thale cress), जो एक फूलों वाला मॉडल पौधा है, की कोशिकाओं में बदला, ताकि यह देखा जा सके कि पौधे का विकास कैसे बदलता है।
परिणामों से पता चला कि प्राचीन जीन उल्लेखनीय रूप से बहुमुखी हैं। जब शोधकर्ताओं ने स्प्रूस या फर्न के "स्टार्टर/मिडल" जीन को फूलों वाले पौधे में पेश किया, तो वह न केवल स्टोमेटल निर्माण की प्रक्रिया को शुरू कर सका बल्कि कोशिकाओं को विकास के मध्य चरणों के माध्यम से भी आगे बढ़ा सका। वास्तव में, यह एकल प्राचीन जीन पूरी प्रक्रिया को शुरू से अंत तक चलाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली था, जिससे उन स्थानों पर कार्यात्मक छिद्र बन गए जहाँ उनका नहीं होना चाहिए था। इसी तरह, इन प्राचीन पौधों का "फिनिशर" जीन भी शुरुआती चरणों में मदद करने के लिए आगे आ सका, हालांकि यह दूसरे जीन की तुलना में प्रक्रिया शुरू करने में कम प्रभावी था। यह सुझाव देता है कि इन प्राचीन पौधों के प्रोटीन कठोर विशेषज्ञ नहीं हैं। इसके बजाय, उनमें निर्माण प्रक्रिया के कई चरणों को संभालने की एक व्यापक, ओवरलैपिंग क्षमता है। वे जनरल कॉन्ट्रैक्टर्स (general contractors) की तरह हैं जो नींव रख सकते हैं, दीवारें खड़ी कर सकते हैं और छत लगा सकते हैं, न कि तीन विशेषज्ञों की एक टीम की तरह जहाँ एक केवल नींव रखता है और दूसरा केवल छत लगाता है।
हालाँकि, अध्ययन में यह भी पाया गया कि ये प्राचीन प्रोटीन उनके काम में पूरी तरह से एक जैसे नहीं हैं। स्प्रूस में, दो जीन अलग-अलग समय पर और थोड़े अलग स्थानों पर सक्रिय होते हैं। "स्टार्टर/मिडल" जीन तब सबसे अधिक सक्रिय होता है जब कोशिकाएं पहली बार विभाजित हो रही होती हैं, जबकि "फिनिशर" जीन लंबे समय तक सक्रिय रहता है, यहाँ तक कि छिद्र परिपक्व होने पर भी काम करता रहता है। जब शोधकर्ताओं ने स्प्रूस में इन जीनों के कार्य को बाधित किया, तो उनके प्रभाव अलग-अलग थे। "स्टार्टर/मिडल" जीन को रोकने से अंतिम पोर (pore) का आकार बदल गया, जबकि "फिनिशर" जीन को रोकने से गार्ड सेल्स (guard cells) का आकार बदल गया और कोशिका भित्ति (cell walls) की रासायनिक संरचना बदल गई। यह इंगित करता है कि हालांकि ये प्रोटीन ज़रूरत पड़ने पर एक-दूसरे के काम कर सकते हैं, लेकिन वे अपने प्राकृतिक कार्यों में अलग होने लगे हैं, प्रत्येक अपनी पसंद के समय और तरीके के आधार पर थोड़ा अलग कार्यभार संभाल रहा है।
ये निष्कर्ष स्पष्ट चित्र प्रस्तुत करते हैं कि जटिलता कैसे विकसित होती है। आधुनिक फूलों वाले पौधों में देखी जाने वाली स्पष्ट, सख्त विशेषज्ञता, जहाँ तीन जीन तीन अलग-अलग चरणों को संभालते हैं, अचानक प्रकट नहीं हुई। इसके बजाय, यह संभवतः एक ऐसे पूर्वज अवस्था से धीरे-धीरे उभरी जहाँ दो जीन व्यापक, ओवरलैपिंग क्षमताओं को साझा करते थे। समय के साथ, ये साझा कर्तव्य धीरे-धीरे विभाजित किए गए, जिससे प्रत्येक जीन एक विशिष्ट चरण में अधिक कुशल हो गया और दूसरों को संभालने में कम सक्षम हो गया। अध्ययन बताता है कि फूलों वाले पौधों की परिष्कृत, तीन-भाग वाली प्रणाली एक लंबी विकासवादी यात्रा का परिणाम है जहाँ एक लचीली, दो-जीन वाली टीम ने धीरे-धीरे अपने कार्यों को विभाजित किया ताकि एक अधिक विशिष्ट और कुशल कार्यबल बनाया जा सके। व्यापक, ओवरलैपिंग क्षमताओं से लेकर सख्त, चरण-विशिष्ट भूमिकाओं तक का यह विकास, इस बात की समझ में एक लुप्त कड़ी प्रदान करता है कि पौधों ने ज़मीन पर सांस लेने की कला में महारत कैसे हासिल की।
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