A century of soybean breeding increased photosynthetic capacity but not NPQ relaxation
सोयाबीन प्रजनन के एक दशक के सफल प्रयासों ने प्रकाश संश्लेषक क्षमता और उपज को बढ़ाने में सफलता प्राप्त की है, फिर भी यह NPQ विश्रांति (relaxation) की गति में सुधार करने में विफल रहा है, जो यह दर्शाता है कि फोटोप्रोटेक्टिव विनियमन (photoprotective regulation) प्रकाश संश्लेषक प्रदर्शन में हुई प्रगति के साथ तालमेल बिठाने में पीछे रह गया है।
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पौधे सौर ऊर्जा के उस्ताद हैं, जो सूर्य के प्रकाश को पकड़कर उन शर्कराओं का निर्माण करते हैं जो उनके विकास को ईंधन देती हैं और अंततः दुनिया का पेट भरती हैं। लेकिन सूरज एक स्थिर, अपरिवर्तित तीव्रता के साथ नहीं चमकता। एक खेत में, जैसे ही बादल ऊपर से गुजरते हैं, पत्तियां हवा में लहराती हैं और छतरी (कैनोपी) पर छाया बदलती है, प्रकाश लगातार झिलमिलाता रहता है। जब कोई पौधा अचानक तेज रोशनी की लहर से टकराता है, तो वह भोजन बनाने के लिए तुरंत उपयोग कर पाने वाली क्षमता से अधिक ऊर्जा सोख लेता है। अपने स्वयं के तंत्र को जलने से बचाने के लिए, पौधे को जल्दी से एक सुरक्षा वाल्व (सेफ्टी वाल्व) चालू करना चाहिए, जो अतिरिक्त ऊर्जा को हानिरहित ऊष्मा के रूप में बाहर निकाल देता है। इस प्रक्रिया को 'नॉन-फोटोकेमिकल क्वेंचिंग' (non-photochemical quenching) के रूप में जाना जाता है। एक बार जब प्रकाश कम स्तर पर वापस आ जाता है, तो पौधे को भोजन बनाना फिर से शुरू करने के लिए इस सुरक्षा वाल्व को उतनी ही तेजी से बंद करना होता है। यदि वाल्व बहुत लंबे समय तक "चालू" स्थिति में फंसा रहता है, तो पौधा उस कीमती ऊर्जा को बर्बाद कर देता जिसका उपयोग विकास के लिए किया जा सकता था। दशकों से, वैज्ञानिक आश्चर्य करते आए हैं कि क्या सदियों के प्रजनन (ब्रीडिंग), जिसने हमारी फसलों को बड़ा और अधिक उत्पादक बनाया है, ने इस नाजुक संतुलन—सुरक्षा वाल्व को चालू और बंद करने के कार्य—को भी बेहतर बनाया है।
इलिनोइस विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सोयाबीन को देखते हुए इस प्रश्न का उत्तर देने का प्रयास किया, जो एक ऐसी फसल है जिसे एक सदी से अधिक समय से गहन रूप से विकसित किया गया है। उन्होंने उन्नीस सौ तेईस से लेकर हाल ही में दो हजार इक्कीस में पेश की गई किस्मों तक, बाईस अलग-अलग सोयाबीन किस्मों का एक ऐतिहासिक संग्रह एकत्र किया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या आधुनिक, उच्च उपज वाली किस्मों ने अपने पुराने पूर्वजों की तुलना में प्रकाश के इन तीव्र परिवर्तनों को बेहतर ढंग से संभालने के लिए खुद को विकसित किया है। शोधकर्ताओं ने इन पौधों को वास्तविक दुनिया की स्थितियों में एक खेत में उगाया, और यह मापा कि वे तीव्र प्रकाश की लहर के बाद अपनी फोटोप्रोटेक्टिव सुरक्षा प्रणालियों को कितनी जल्दी शिथिल (रिलैक्स) कर सकते हैं। उन्होंने यह भी ट्रैक किया कि पौधे कितना कार्बन अवशोषित कर सकते थे, उन्होंने कितने बीज पैदा किए, और उन बीजों का वजन कितना था। उन्होंने पौधे के जीव विज्ञान की गहराई में जाकर, विशिष्ट पिगमेंट (वर्णक) के स्तर और इन सुरक्षात्मक प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित करने वाले जीन की सक्रियता की भी जांच की।
परिणामों ने स्पष्ट रूप से दिखाया कि प्रजनन ने क्या हासिल किया है और क्या पीछे छोड़ दिया है। आधुनिक सोयाबीन किस्में वास्तव में प्रकाश संश्लेषण के मुख्य कार्य में श्रेष्ठ थीं। उनमें कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करने और उसे ऊर्जा में बदलने की उच्च क्षमता थी, और उन्होंने पुरानी किस्मों की तुलना में काफी अधिक और भारी बीज पैदा किए। यह पुष्टि करता है कि एक सदी के प्रजनन ने पौधे के इंजन को सफलतापूर्वक बढ़ाया है। हालांकि, अध्ययन में इस बात का कोई प्रमाण नहीं मिला कि इस प्रजनन प्रयास ने प्रकाश के उतार-चढ़ाव को प्रबंधित करने की पौधे की क्षमता में सुधार किया है। आधुनिक पौधों द्वारा अपने सुरक्षा तंत्र को बंद करने की गति पुरानी किस्मों की तुलना में लगातार तेज नहीं थी। वास्तव में, शोधकर्ताओं को किसी भी किस्म के जारी होने के वर्ष और इस बात के बीच कोई स्पष्ट संबंध नहीं मिला कि वे तेज रोशनी से कितनी जल्दी उबर सकती हैं। आधुनिक फसलों के सुरक्षा तंत्र उतने ही धीमे थे जितने कि सौ साल पहले की फसलों के थे।
सुरक्षा प्रणाली में सुधार की यह कमी एक बेमेल स्थिति (मिसमैच) पैदा करती है। आधुनिक पौधों के पास भोजन बनाने के लिए एक अधिक शक्तिशाली इंजन है, लेकिन वे खुद को बचाने के लिए अभी भी उन्हीं पुराने, कुछ हद तक सुस्त सुरक्षा स्विचों पर निर्भर हैं। क्योंकि धूप की लहर के बाद सुरक्षा वाल्व को बंद होने में बहुत समय लगता है, इसलिए पौधा तब भी ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में बर्बाद करता रहता है जब वह भोजन बना सकता था। शोधकर्ताओं ने देखा कि रिकवरी (उबरने) की गति का इस बात से कोई संबंध नहीं था कि पौधों ने कितने बीज पैदा किए या वे कितने भारी थे। जबकि पुरानी किस्मों और नई किस्मों के बीज उत्पादन में अंतर था, लेकिन वे इन तीव्र प्रकाश परिवर्तनों को प्रबंधित करने के मामले में भिन्न नहीं थे। अध्ययन बताता है कि इस गुण के लिए आनुवंशिक विविधता सोयाबीन में अभी भी मौजूद है, लेकिन इसे प्रजनन प्रक्रिया के दौरान चुना (सिलेक्ट) नहीं गया है।
पौधे जिस तरह से व्यवहार करते थे उसे समझने के लिए, टीम ने पत्तियों के भीतर मौजूद आणविक उपकरणों की जांच की। उन्होंने ऊष्मा को नष्ट करने में मदद करने वाले विशिष्ट पिगमेंट की मात्रा को मापा और इस प्रक्रिया को नियंत्रित करने वाले प्रोटीन बनाने वाले जीन की सक्रियता की जांच की। उन्होंने पाया कि तेज़-रिलैक्स होने वाले और धीमे-रिलैक्स होने वाले पौधों के बीच इन अणुओं के स्तर में अंतर था, लेकिन ये अंतर रिकवरी की समग्र गति की व्याख्या नहीं कर सके। पौधों द्वारा अपनी रक्षा को शिथिल करने की गति का अंतर केवल मौजूद पिगमेंट या जीन गतिविधि की स्थिर मात्रा पर नहीं, बल्कि गतिशील, वास्तविक समय की प्रक्रियाओं पर निर्भर करता था—कि पत्ती की आंतरिक रसायन शास्त्र उस क्षण में कैसे प्रतिक्रिया करती है। इसका अर्थ है कि केवल एक निश्चित प्रोटीन या पिगमेंट का अधिक होना तेज़ प्रतिक्रिया की गारंटी नहीं देता है।
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि जबकि सोयाबीन के प्रजनन ने विकास की क्षमता को सफलतापूर्वक बढ़ाया है, लेकिन यह बेहतर प्रकाश प्रबंधन की आवश्यकता के साथ तालमेल नहीं बिठा पाया है। आधुनिक फसलें अधिक उत्पादन करने में सक्षम हैं, लेकिन वे अपना पूरा सामर्थ्य खेत में नहीं लगा पा रही हैं क्योंकि उनकी सुरक्षा प्रणालियाँ बदलते प्रकाश के अनुरूप पर्याप्त तेज़ नहीं हैं। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि फसल की उपज बढ़ाने का अगला कदम इस रिकवरी प्रक्रिया को तेज करने के तरीके खोजने में निहित है। आधुनिक इंजन की उच्च क्षमता के साथ सुरक्षा वाल्व की गति को संरेखित करके, किसान पैदावार को और भी अधिक बढ़ा सकते हैं, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि पौधे सूर्य के प्रकाश के हर अंश का उपयोग करें।
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