Reducing transitory starch in cassava impairs photosynthesis and carbon export to storage roots
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि आलू के विपरीत, MeAPS1a को लक्षित करके कसावा में क्षणिक पत्ती स्टार्च संश्लेषण को दबाने से प्रकाश संश्लेषण बाधित होता है और भंडारण जड़ों तक कार्बन निर्यात गंभीर रूप से सीमित हो जाता है, जिससे अंततः ग्रीनहाउस और खेत दोनों स्थितियों में महत्वपूर्ण विकास अवरोध और उपज हानि होती है।
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पौधे समय के प्रबंधन में माहिर होते हैं। दिन के दौरान, जब सूरज चमक रहा होता है, वे प्रकाश का उपयोग हवा से कार्बन डाइऑक्साइड को चीनी (शुगर) में बदलने के लिए करते हैं, जिसे प्रकाश संश्लेषण (फोटोसिंथेसिस) की प्रक्रिया कहा जाता है। यह चीनी उनकी वृद्धि को ऊर्जा प्रदान करती है, लेकिन रात में सूरज नहीं चमकता। अंधेरे में जीवित रहने के लिए, कई पौधे दिन के दौरान स्टार्च का एक अस्थायी भंडार बनाते हैं, और सूर्यास्त के बाद इसे धीरे-धीरे तोड़कर अपने इंजन को चालू रखते हैं। इस रात्रि ईंधन टैंक को 'ट्रांजिटरी स्टार्च' (transitory starch) कहा जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक यह जानने के लिए उत्सुक रहे हैं कि क्या यह भंडार सभी पौधों के लिए अनिवार्य है, या क्या कुछ पौधे भंडारण के इस चरण को सीधे छोड़ सकते हैं और अपनी सारी चीनी सीधे अपने फलों, बीजों या जड़ों की ओर भेज सकते हैं। आलू जैसी फसलों में, शोधकर्ताओं ने पाया कि इस स्टार्च भंडार को कम करने से पौधे को कोई नुकसान नहीं हुआ; इसके बजाय, इसने अधिक ऊर्जा को खाने योग्य कंदों (tubers) में धकेल दिया, जिससे संभावित रूप से फसल बढ़ सकती थी। इस खोज ने एक आशाजनक विचार को जन्म दिया: शायद हम अन्य फसलों को भी ऐसा करने के लिए इंजीनियर कर सकें, यानी अधिकतम खाद्य उत्पादन के लिए रात्रि भंडार की आवश्यकता को दरकिनार कर सकें।
कसावा (Cassava), जो उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में करोड़ों लोगों के लिए एक महत्वपूर्ण मुख्य आहार है, इस प्रयोग के लिए एक आदर्श उम्मीदवार प्रतीत हुआ। इसकी स्टार्च युक्त जड़ें प्राथमिक खाद्य स्रोत हैं, और इनकी उपज में सुधार करना वैश्विक खाद्य सुरक्षा का मामला है। यह परीक्षण करने के लिए कि क्या आलू वाली रणनीति कसावा पर काम करेगी, फ्रेडरिक-अलेक्जेंडर विश्वविद्यालय और नेशनल चुंग हिंग यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने पौधे की पत्तियों में अस्थायी स्टार्च बनाने के लिए जिम्मेदार जीन को शांत (silence) करने का निर्णय लिया। उन्होंने आनुवंशिक रूप से संशोधित कसावा के पौधे बनाए जो इस रात्रि भंडार का निर्माण नहीं कर सकते थे, जिससे प्रभावी रूप से पौधा अपनी ऊर्जा के प्रबंधन के लिए एक अलग रणनीति पर निर्भर हो गया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या पौधा उस बची हुई ऊर्जा को अपनी भंडारण जड़ों की ओर पुनर्निर्देशित करेगा, जिससे वे बड़ी और अधिक प्रचुर हो सकेंगी।
हालाँकि, परिणामों ने एक बहुत ही अलग कहानी बताई। जब शोधकर्ताओं ने अस्थायी स्टार्च बनाने की क्षमता को हटा दिया, तो कसावा के पौधे अधिक कुशल होने के बजाय गंभीर रूप से अक्षम हो गए। अस्थायी स्टार्च भंडार के बिना, प्रकाश संश्लेषण करने की उनकी क्षमता आधे से अधिक गिर गई। पत्तियाँ, जो पौधे की फैक्ट्रियां होती हैं, उस बफर के बिना कार्य करने में संघर्ष करती हैं जो स्टार्च प्रदान करता है। जड़ों की ओर अधिक चीनी भेजने के बजाय, पौधों ने कुल मिलाकर बहुत कम चीनी का उत्पादन किया। इन संशोधित पौधों की पत्तियों की संख्या कम थी, और पौधे सामान्य पौधों की तुलना में बहुत धीमी गति से बढ़े। ग्रीनहाउस के नियंत्रित वातावरण में, पौधे जीवित रहने में सफल रहे, हालांकि वे स्पष्ट रूप रूप से कमजोर थे। लेकिन जब उन्हीं पौधों को खेत में उगाया गया, तो स्थिति गंभीर हो गई। उनमें बहुत छोटे कैनोपी (canopy) विकसित हुए और उन्होंने सामान्य पौधों की तुलना में बहुत छोटे और हल्के भंडारण जड़ें पैदा कीं। स्टार्च भंडार को काटकर फसल बढ़ाने के प्रयास का उल्टा प्रभाव पड़ा, जिससे पौधे की बढ़ने और भोजन पैदा करने की क्षमता पूरी तरह ध्वस्त हो गई।
शोधकर्ताओं ने इस प्रयोग के दौरान उत्पन्न हुए एक माध्यमिक रहस्य की भी जांच की। उन्होंने आनुवंशिक संशोधन को केवल हरी पत्तियों में काम करने के लिए डिज़ाइन किया था, जिसमें एक विशिष्ट स्विच का उपयोग किया गया था जो जड़ों को अप्रभावित रखना चाहिए था। फिर भी, उन्होंने पाया कि आनुवंशिक संकेत अपनी जगह पर स्थिर नहीं था। आरएनए (RNA) नामक छोटे अणु, जो पौधे की आंतरिक संदेश प्रणाली के रूप में कार्य करते हैं, पत्तियों से जड़ों तक यात्रा कर रहे थे। युवा पौधों में, ये संदेश इतने मजबूत थे कि जड़ों में स्टार्च बनाने वाले जीन को भी शांत कर सके, जिससे स्रोत (पत्तियों) और सिंक (जड़ों) दोनों में प्रणाली बंद हो गई। हालाँकि, जैसे-जैसे पौधे बड़े और पुराने होते गए, जड़ों में इन संदेशों की सांद्रता कम होती गई, और जड़ों में आनुवंशिक साइलेंसिंग के लक्षण दिखने बंद हो गए। इसके बावजूद, पुराने पौधों की जड़ें भी छोटी और अविकसित रहीं। यह सुझाव देता है कि क्षति शुरुआत में ही हो गई थी, संभवतः इसलिए क्योंकि पत्तियों ने विकास के महत्वपूर्ण चरणों के दौरान जड़ों को पर्याप्त चीनी भेजने में विफल रही, न कि इसलिए कि जड़ें स्वयं आनुवंशिक रूप से परिवर्तित थीं।
यह अध्ययन कसावा और आलू जैसी अन्य फसलों के बीच एक मौलिक अंतर को प्रकट करता है। जहाँ आलू पत्ती के स्टार्च में कमी को सहन कर सकते हैं और फिर भी फलते-फूलते हैं, वहीं कसावा अपने प्रकाश संश्लेषण तंत्र को बनाए रखने के लिए उस अस्थायी भंडार पर बहुत अधिक निर्भर करता है। पौधे को न केवल रात के ईंधन के रूप में, बल्कि एक स्टेबलाइजर (स्थिरक) के रूप में भी स्टार्च की आवश्यकता होती है जो दिन और रात के दौरान उसकी ऊर्जा उत्पादन को स्थिर रखता है। जब वह स्टेबलाइजर हटा दिया जाता है, तो पूरा तंत्र लड़खड़ा जाता है। ये निष्कर्ष फसल इंजीनियरिंग के लिए एक चेतावनी भरे सबक के रूप में कार्य करते हैं: जो एक प्रजाति के लिए काम करता है, वह आवश्यक रूप से दूसरी प्रजाति के लिए काम नहीं करता है। स्टार्च भंडार को काटकर उपज बढ़ाने की रणनीति एक सार्वभौमिक समाधान नहीं है। कसावा के लिए, अस्थायी स्टार्च एक वैकल्पिक अतिरिक्त नहीं है; यह पौधे के जीवन चक्र का एक अपरिहार्य हिस्सा है, जो उन जड़ों को बनाने के लिए ऊर्जा के प्रवाह को बनाए रखने हेतु आवश्यक है जिन पर हम भोजन के लिए निर्भर हैं।
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