Time-resolved volatile organic compound profiling enables non-invasive detection of phenological progression in soybean

पौधे अपने जीवन के मूक दर्शक नहीं हैं; वे अदृश्य रासायनिक संकेतों के माध्यम से दुनिया से लगातार फुसफुसाते रहते हैं। जैसे-जैसे एक पौधा बढ़ता है, एक अंकुर से एक परिपक्व जीव में परिवर्तित होता है, वह वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों (वोलाटाइल ऑर्गेनिक कंपाउंड्स) के रूप में जाने जाने वाले गैसों के एक जटिल मिश्रण को छोड़ता है। ये वे सुगंध हैं जिन्हें हम कटी हुई घास की ताजी गंध या किसी फूल की खुशबू के रूप में महसूस कर सकते हैं, लेकिन इनमें अणुओं की एक विशाल श्रृंखला भी शामिल है जो पौधे के आसपास की हवा में तैरती रहती है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि ये रासायनिक उत्सर्जन मौसम, दिन के समय और पौधे के स्वास्थ्य के आधार पर बदलते रहते हैं। हालांकि, एक नई जांच यह पूछती है कि क्या ये बदलती सुगंध हमें सटीक रूप से यह बता सकती है कि एक पौधा अपने जीवन चक्र में कहाँ है, जो एक रासायनिक घड़ी के रूप में कार्य करती है और विकास के एक चरण से दूसरे चरण में संक्रमण को चिह्नित करती है।

किसानों और शोधकर्ताओं के लिए, फसल के सटीक विकासात्मक चरण को जानना अत्यंत महत्वपूर्ण है। यह निर्धारित करता है कि कब पानी देना है, कब पोषक तत्व लगाने हैं, और कब फसल की कटाई की उम्मीद करनी है। पारंपरिक रूप से, यह जानकारी दृश्य निरीक्षण से आती है, जहाँ एक व्यक्ति पौधे की उम्र और प्रगति का अनुमान लगाने के लिए पत्तियों, तनों और फूलों को देखता है। यह विधि विकास के शुरुआती दिनों में अच्छी तरह काम करती है, लेकिन एक बार जब पौधे ऊंचे हो जाते हैं और उनकी पत्तियां आपस में मिलकर एक घना छत्र (कैनोपी) बना लेती हैं, तो यह कठिन हो जाता है। उस बिंदु पर, फसल के आंतरिक हिस्से दृष्टि से ओझल हो जाते हैं, और विकासात्मक परिवर्तनों का सटीक समय छूट सकता है। प्रश्न यह बना हुआ है: क्या हम पौधे की रासायनिक आवाज़ को सुनकर वह देख सकते हैं जो हमारी आँखें नहीं देख पातीं?

इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं ने सोयाबीन (जो एक प्रमुख वैश्विक फसल है) की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया और उनके रासायनिक उत्सर्जन को उच्च सटीकता के साथ ट्रैक करने का एक तरीका विकसित किया। उन्होंने बीजों के बोए जाने के सोलह दिन बाद से लेकर तैंतालीसवें दिन तक, हर एक दिन पौधों से हवा के नमूने एकत्र करने के लिए एक स्वचालित प्रणाली स्थापित की। यह अवधि महत्वपूर्ण बदलाव को कवर करती है, जहाँ पौधा वानस्पतिक अवस्था (vegetative stage), जहाँ वह पत्तियों और तनों को बढ़ाने पर ध्यान केंद्रित करता है, से प्रजनन अवस्था (reproductive stage) में परिवर्तित होता है, जहाँ वह फूल और फलियां बनाना शुरू करता है। हवा के नमूनों का विश्लेषण एक परिष्कृत मशीन का उपयोग करके किया गया जो मौजूद विशिष्ट रासायनिक यौगिकों को अलग करती है और उनकी पहचान करती है, जिससे पौधों द्वारा हवा में छोड़े गए विशिष्ट रासायनिक प्रोफाइल का एक विस्तृत दैनिक विवरण तैयार होता है।

इसके बाद शोधकर्ताओं ने इस रासायनिक डेटा की धारा को एक मानचित्र की तरह माना। व्यक्तिगत रसायनों को अलग-थलग देखने के बजाय, उन्होंने इस बात की जांच की कि सुगंधों का संपूर्ण मिश्रण समय के साथ कैसे बदलता है। उन्होंने एक कंप्यूटर-आधारित दृष्टिकोण का उपयोग किया ताकि रासायनिक प्रोफाइल की समानता के आधार पर दिनों को समूहों में बांटा जा सके। इस पद्धति ने खुलासा किया कि सोयाबीन बेतरतीब ढंग से सुगंधों का मिश्रण नहीं छोड़ते थे; बल्कि, रासायनिक मिश्रण स्पष्ट समूहों में विभाजित थे जो विकास के विशिष्ट चरणों के अनुरूप थे। विश्लेषण ने पांच स्पष्ट विकासात्मक चरणों की पहचान की, जो सोयाबीन के विकास के उन पारंपरिक चरणों के साथ निकटता से मेल खाते हैं जिन्हें कृषि विज्ञानी पहचानते हैं।

इन चरणों के भीतर, अध्ययन ने सात विशिष्ट रसायनों की पहचान की जो पौधे की प्रगति के लिए विश्वसनीय संकेतक के रूप में कार्य करते हैं। इनमें 'ग्रीन लीफ वोलेटाइल्स' शामिल थे, जो अक्सर ताजी वनस्पतियों से जुड़े यौगिक होते हैं, और 'मोनोटरपेन्स', जो कई पौधों में पाए जाने वाले कार्बनिक यौगिकों का एक वर्ग है। जैसे-जैसे सोयाबीन एक चरण से दूसरे चरण में बढ़े, इन रसायनों के स्तर एक अनुमानित पैटर्न में ऊपर और नीचे होते गए। यह परीक्षण करने के लिए कि क्या इस पैटर्न का उपयोग एक उपकरण के रूप में किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने इस रासायनिक डेटा पर प्रशिक्षित एक कंप्यूटर मॉडल बनाया। जब उन्होंने मॉडल को सोयाबीन के नए, अनदेखे डेटा से परिचित कराया, तो इसने उच्च सटीकता के साथ पौधों के वर्तमान विकासात्मक चरण की सफलतापूर्वक भविष्यवाणी की। इसने प्रदर्शित किया कि पौधे के रासायनिक हस्ताक्षर में पर्याप्त जानकारी होती है कि बिना पौधे को सीधे देखे उसकी आयु और विकास के चरण का निर्धारण किया जा सके।

निष्कर्ष बताते हैं कि पौधे के रासायनिक उत्सर्जन को सुनना फसल के विकास की निगरानी करने का एक शक्तिशाली, गैर-आक्रामक तरीका प्रदान करता है। यह दृष्टिकोण विशेष रूप से विकास के बाद के चरणों के लिए मूल्यवान है जब छत्र (कैनोपी) घना होता है और दृश्य अवलोकन कठिन हो जाता है। फसल के आसपास की हवा को सूक्ष्म, समय-आधारित बदलावों के माध्यम से पकड़कर, यह विधि फेनोलॉजिकल प्रोग्रेशन (जैविक घटनाओं के समय) का एक मात्रात्मक माप प्रदान करती है, जो अन्यथा अनसुना रह सकता है। हालांकि अध्ययन नियंत्रित परिस्थितियों में सोयाबीन पर केंद्रित था, फिर भी यह ढांचा फसल की गतिशीलता को ट्रैक करने के लिए एक व्यावहारिक उपकरण स्थापित करता है। यह एक ऐसे भविष्य के द्वार खोलता है जहाँ परिशुद्ध कृषि (प्रिसिजन एग्रीकल्चर) केवल उस पर निर्भर नहीं होगी जिसे हम देख सकते हैं, बल्कि पौधों की अदृश्य, विकसित होती भाषा पर भी निर्भर करेगी।