Disruption of the single-copy GOLDEN2-like gene underlies the classical yellow and yellow-mutable mutations of Japanese morning glory

एक पत्ती की शांत हरी मशीनरी में, क्लोरोप्लास्ट नामक नन्हे कारखाने सूरज की रोशनी को पकड़ने और उसे भोजन में बदलने के लिए अथक परिश्रम करते हैं। ये कारखाने अपनी आंतरिक संरचनाओं को बनाने के लिए, विशेष रूप से उन संचित झिल्लियों (stacked membranes) के लिए, निर्देशों के एक विशिष्ट सेट पर निर्भर करते हैं जहाँ प्रकाश-संचयन होता है। इन निर्देशों के बिना, कारखाना सही ढंग से असेंबल नहीं हो सकता है, और पौधा अपना जीवंत हरा रंग खोकर पीला पड़ जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि प्रोटीन का एक परिवार, जो इन निर्देशों के लिए मास्टर स्विच की तरह कार्य करता है, इस प्रक्रिया के लिए आवश्यक है। कई पौधों में, इन स्विचों की कई प्रतियां होती हैं, इसलिए यदि एक विफल हो जाता है, तो दूसरा अक्सर उसका स्थान ले सकता है। यह अतिरेक (redundancy) यह अध्ययन करना कठिन बना देता है कि वास्तव में क्या होता है जब एक एकल स्विच खो जाता है, क्योंकि बैकअप सिस्टम वास्तविक प्रभाव को छिपा देते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने के लिए जापानी मॉर्निंग ग्लो (Japanese morning glory) की ओर रुख किया। यह फूल वैज्ञानिक समुदाय में अपने शास्त्रीय पीले उत्परिवर्तन (yellow mutation) के लिए प्रसिद्ध है, एक ऐसा लक्षण जिसे एक सदी से अधिक समय से देखा जा रहा है। इस उत्परिवर्तन वाले पौधे की पत्तियां बीमार पीले-हरे रंग की होती हैं, और कुछ मामलों में, यह उत्परिवर्तन अस्थिर होता है, जिससे पीले पत्तों पर हरे धब्बे दिखाई देते हैं। इन विशिष्ट पौधों का अध्ययन करके, शोधकर्ताओं को एक अनूठा अवसर मिला: अधिकांश पौधों के विपरीत, जापानी मॉर्निंग ग्लो में क्लोरोप्लास्ट विकास के लिए जिम्मेदार मास्टर स्विच जीन की केवल एक ही प्रति होती है। इसका अर्थ है कि यहाँ कोई बैकअप सिस्टम नहीं है जो टूटे हुए जीन के परिणामों को छिपा सके। वैज्ञानिकों ने पीले रंग के सटीक आनुवंशिक कारण की पहचान करने और यह देखने के लिए प्रयास किया कि इस एकल जीन की अनुपस्थिति पत्ते की आंतरिक दुनिया को कैसे नया आकार देती है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि पीले रंग के लिए जिम्मेदार जीन को InGLK कहा जाता है। स्थिर पीले उत्परिवर्ती (mutant) पौधों में, यह जीन एक छोटी सी त्रुटि द्वारा टूट गया था: आनुवंशिक कोड में चार-अक्षर का एक सम्मिलन (insertion) जिसने पूरे रीडिंग फ्रेम को बदल दिया, जिससे प्रोटीन बेकार हो गया। अस्थिर लाइनों में, जो पीले बैकग्राउंड पर हरे धब्बे दिखाते हैं, जीन को एक कूदते हुए आनुवंशिक पदार्थ, जिसे ट्रांसपोज़न (transposon) कहा जाता है, द्वारा बाधित किया गया था। डीएनए के इस टुकड़े ने खुद को जीन के बीच में डाल दिया था। जब ट्रांसपोज़न फिर से बाहर कूदा, तो उसने कभी-कभी जीन को कार्यात्मक छोड़ दिया, जिससे पौधे को हरा ऊतक उगाने में मदद मिली। इस तंत्र ने समझाया कि क्यों अस्थिर पौधे कुछ स्थानों पर हरे रंग में वापस आ सकते थे, जबकि स्थिर उत्परिवर्ती हर जगह पीले बने रहे।

यह समझने के लिए कि पत्तियों के भीतर क्या हो रहा था, टीम ने पिगमेंट (वर्णक) के स्तर और कोशिकाओं की सूक्ष्म संरचना की जांच की। उन्होंने पाया कि पीले-हरे बैकग्राउंड वाले ऊतकों में उन पिगमेंट की मात्रा काफी कम थी जो पत्तियों को रंग देते हैं और प्रकाश संश्लेषण को संचालित करते हैं। हालांकि, दो मुख्य प्रकार के हरे पिगमेंट के बीच का अनुपात स्वस्थ पौधों की तरह ही बना रहा। जब उन्होंने एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे क्लोरोप्लास्ट को देखा, तो अंतर स्पष्ट था। पीले ऊतक वाले क्लोरोप्लास्ट में अभी भी कुछ आंतरिक संरचनाएं थीं, जैसे झिल्ली परतें और स्टार्च जैसे दाने, लेकिन उनमें स्वस्थ हरी पत्तियों की तरह व्यवस्थित, संचित व्यवस्था का अभाव था। आंतरिक झिल्लियाँ विरल और अव्यवस्थित थीं। अस्थिर पौधों में दिखने वाले हरे धब्बों में, और उन पौधों में जहाँ कूदने वाला डीएनए पूरी तरह से जीन को छोड़कर चला गया था, क्लोरोप्लास्ट फिर से सामान्य दिख रहे थे, जिनमें पूरी तरह से बनी हुई परतें और समृद्ध पिगमेंट मौजूद थे।

ये निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि इस एकल जीन का नुकसान क्लोरोप्लास्ट के संपूर्ण विकास को बाधित करने, पिगमेंट उत्पादन को कम करने और आंतरिक वास्तुकला को अस्त-व्यस्त करने के लिए पर्याप्त है। चूंकि जापानी मॉर्निंग ग्लो में इस जीन की केवल एक प्रति है, इसलिए पौधा इस नुकसान की भरपाई नहीं कर सकता है, जिससे उत्परिवर्तन के प्रभाव स्पष्ट और पूर्ण हो जाते हैं। यह अध्ययन दर्शाता है कि यह एकल जीन इस प्रजाति में प्रकाश संश्लेषक मशीनरी के निर्माण के लिए प्राथमिक चालक है। एक ऐसी प्रणाली प्रदान करके जहाँ एक एकल आनुवंशिक परिवर्तन पत्ते की संरचना के पूर्ण और दृश्य परिवर्तन की ओर ले जाता है, ये पीले उत्परिवर्ती यह देखने के लिए एक स्पष्ट खिड़की प्रदान करते हैं कि पौधे अपने सौर ऊर्जा संयंत्रों का निर्माण कैसे करते हैं, जो बैकअप जीनों के भ्रम से मुक्त है।