Engineering of a plant ribosylated nucleotide immune second messenger
यह अध्ययन पादप प्रतिरक्षा द्वितीय संदेशवाहक pRib-AMP के स्थिर डेरिवेटिव्स के संश्लेषण और इंजीनियरिंग के लिए एक जैव प्रौद्योगिकी ढांचा प्रस्तुत करता है, जो अरैबिडोप्सिस (Arabidopsis), निकोटियाना बेंटहामियाना (Nicotiana benthamiana) और तिलहनी सरसों (oilseed rape) जैसी फसलों पर लागू होने पर, विकास संबंधी दंड को न्यूनतम करते हुए प्राकृतिक रक्षा मार्गों के माध्यम से रोग प्रतिरोधक क्षमता को प्रभावी ढंग से बढ़ाता है।
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पौधे बैक्टीरिया या कवक द्वारा हमला किए जाने पर केवल निष्क्रिय शिकार नहीं होते; उनके पास एक परिष्कृत, आंतरिक अलार्म प्रणाली होती है जिसे जवाबी कार्रवाई करने के लिए सक्रिय किया जा सकता है। यह प्रणाली सूक्ष्म रासायनिक संकेतों पर निर्भर करती है, जिन्हें 'सेकंड मैसेंजर' (द्वितीयक संदेशवाहक) के रूप में जाना जाता है, जो अग्रिम पंक्ति से नियंत्रण केंद्र तक भेजे जाने वाले आंतरिक संदेशों की तरह कार्य करते हैं। जब कोई पौधा खतरे का पता लगाता है, तो विशिष्ट एंजाइम एक सामान्य कोशिकीय अणु को तोड़कर इन अद्वितीय संकेतों का निर्माण करते हैं। ये संकेत फिर कोशिका के भीतर एक विशिष्ट प्रोटीन कॉम्प्लेक्स तक यात्रा करते हैं, जो एक स्विच की तरह कार्य करता है, जिससे रक्षात्मक जीन की एक विस्तृत श्रृंखला सक्रिय हो जाती है जो रोगाणुरोधी यौगिकों का उत्पादन करती है और पौधे की दीवारों को मजबूत करती है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि ये प्राकृतिक संकेत मौजूद हैं, लेकिन फसलों की रक्षा के लिए उन्हें जुटाना कठिन रहा है क्योंकि ये अणु नाजुक होते हैं, बड़ी मात्रा में बनाना कठिन होता है, और अपने लक्ष्यों तक पहुँचने के लिए पादप कोशिकाओं की कठोर बाहरी परतों को पार करने में संघर्ष करते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन समस्याओं को हल कर लिया है—उन्होंने 'फॉस्फो-राइबोसिल-एडेनोसिन मोनोफॉस्फेट' नामक एक विशिष्ट पादप प्रतिरक्षा संकेत को बनाने का एक नया, कुशल तरीका विकसित किया है, और इसके अधिक टिकाऊ संस्करण को इंजीनियर किया है। उन्होंने पाया कि यह रसायन, जब पौधों पर छिड़का जाता है, तो पौधे को पहले रोगजनक का पता लगाने की आवश्यकता को दरकिनार कर सकता है। इसके बजाय, यह सीधे पौधे की आंतरिक रक्षा प्रणाली को सक्रिय करता है, जिससे पौधा बीमारियों की एक विस्तृत श्रृंखला के प्रति प्रतिरोधी बन जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि संकेत की संरचना में थोड़ा बदलाव करके उसे अधिक स्थिर बनाने से, वे एक ऐसा संस्करण बना सके जो बहुत कम खुराक में काम करता है और लंबे समय तक टिकता है, जिससे पौधे की अपनी प्रतिरक्षा प्रणाली को संक्रमण के खिलाफ एक ढाल में बदल दिया जाता है, बिना पौधे की वृद्धि को नुकसान पहुँचाए।
यह यात्रा एक रासायनिक चुनौती के साथ शुरू हुई। जिस प्राकृतिक प्रतिरक्षा संकेत का उपयोग टीम करना चाहती थी, वह एक जटिल अणु है जिसे प्रयोगशाला में संश्लेषित करना कठिन है। पिछले तरीकों में एक एकल अणु बनाने के लिए पंद्रह अलग-अलग चरणों की आवश्यकता होती थी, जिसके परिणामस्वरूप बहुत कम उपयोगी उत्पाद प्राप्त होता था। शोधकर्ताओं ने एक सुव्यवस्थित, पांच-चरणीय प्रक्रिया विकसित की जो बहुत अधिक उपज के साथ अणु का उत्पादन करती है। इस नए मार्ग ने उन्हें शुद्ध रसायन की पर्याप्त मात्रा बनाने की अनुमति दी ताकि जीवित पौधों पर इसका परीक्षण किया जा सके। उन्होंने एक मुख्य संरचना का निर्माण करके और फिर एक विशिष्ट स्थान पर फॉस्फेट समूह जोड़कर शुरुआत की, जिससे सक्रिय प्रतिरक्षा संकेत का निर्माण हुआ। यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह रसायन वास्तव में पौधे के भीतर काम कर सके, उन्हें इस तथ्य से पार पाना था कि अणु अत्यधिक आवेशित (चार्ज्ड) और ध्रुवीय (पोलर) है, ऐसे गुण जो आमतौर पर पौधे की मोमी, सुरक्षात्मक कोशिका भित्तियों और झिल्लियों के माध्यम से फिसलने से रोकते हैं।
जब टीम ने इस नव-संश्लेषित रसायन को जीवित पादप कोशिकाओं और पूरे पौधों के पौधों (सीडलिंग्स) पर लगाया, तो इसने तुरंत काम किया। रसायन ने कोशिका बाधाओं को पार किया और रक्षात्मक जीन की अभिव्यक्ति में उछाल लाया। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने यह मानचित्रण करने के लिए कि संकेत वास्तव में कैसे काम करता है, उन पौधों पर परीक्षण किया जिनमें उनकी प्रतिरक्षा प्रणाली के विशिष्ट भाग अनुपस्थित थे। उन्होंने पाया कि यह रसायन केवल उन्हीं पौधों में काम करता है जिनमें 'EDS1-PAD4' नामक एक विशिष्ट प्रोटीन कॉम्प्लेक्स मौजूद है, जो इस संकेत के लिए एक रिसेप्टर के रूप में कार्य करता है। जिन पौधों में यह रिसेप्टर नहीं था, या जिनमें 'ADR1' नामक सहायक प्रोटीन की कमी थी जो रक्षा प्रतिक्रिया को निष्पादित करता है, उनमें इस रसायन का कोई प्रभाव नहीं पड़ा। इससे सिद्ध हुआ कि कृत्रम रसायन केवल पौधे में सामान्य तनाव या भ्रम पैदा नहीं कर रहा था; बल्कि यह विशेष रूप से उसी सटीक प्रतिरक्षा पथ में संलग्न हो रहा था जिसका उपयोग पौधा वास्तविक संक्रमणों से लड़ने के लिए स्वाभाविक रूप से करता है। इसके अलावा, रसायन ने ऑक्सीजन के उस तीव्र विस्फोट को ट्रिगर नहीं किया जो रोगजनकों के सतही पता लगाने से जुड़ा होता है, जिससे पुष्टि हुई कि यह कोशिका के भीतर प्रवेश करता है और अंदर से बाहर की ओर कार्य करता है।
हालाँकि, इस संकेत के प्राकृतिक संस्करण में एक कमजोरी है: यह पौधे के भीतर बहुत जल्दी टूट जाता है, और नष्ट होने से पहले केवल लगभग एक घंटे तक ही रहता है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अणु के एक संशोधित संस्करण को इंजीनियर किया। उन्होंने रासायनिक संरचना में दो ऑक्सीजन परमाणुओं को सल्फर परमाणुओं से बदल दिया, जिससे 'थियो-पी-आरआईपी-एएमपी' (Thio-pRib-AMP) नामक एक वेरिएंट बना। इस छोटे से बदलाव ने इस अणु को पौधे के उन आंतरिक एंजाइमों के प्रति बहुत अधिक प्रतिरोधी बना दिया जो सामान्यतः इसे नष्ट कर देते हैं। प्रयोगशाला परीक्षणों में, यह नया संस्करण कम से कम चौबीस घंटों तक स्थिर रहा, जबकि मूल संस्करण इसके एक अंश समय में ही गायब हो गया। यह स्थिरता सीधे तौर पर इसकी शक्ति में परिवर्तित हुई। संशोधित रसायन मूल की तुलना में लगभग सौ गुना अधिक शक्तिशाली पाया गया। यह 250 नैनोमोल की सांद्रता पर समान स्तर की प्रतिरक्षा रक्षा को सक्रिय कर सका, जबकि मूल को समान परिणाम प्राप्त करने के लिए बीस माइक्रोमोल की आवश्यकता थी।
टीम प्रयोगशाला से निकलकर खेत तक पहुँची, यह परीक्षण करने के लिए कि क्या इन रसायनों को परिपक्व पौधों पर छिड़कने से उन्हें बीमारी से बचाया जा सकता है। उन्होंने 'एरिडोप्सिस' (Arabidopsis) के पौधों, जो पादप जीव विज्ञान के अध्ययन के लिए एक सामान्य मॉडल है, को स्थिर, संशोधित रसायन से उपचारित किया। जब बाद में उन्हें लीफ स्पॉट्स (पत्तियों के धब्बे) पैदा करने वाले बैक्टीरिया के एक घातक स्ट्रेन के संपर्क में लाया गया, तो उपचारित पौधों में अनुपचारित पौधों की तुलना में काफी कम संक्रमण देखा गया। यह सुरक्षा विशिष्ट प्रतिरक्षा पथ के लिए थी; जिन पौधों में EDS1-PAD4 रिसेप्टर की कमी थी, उन्हें इस उपचार से कोई लाभ नहीं हुआ, जिससे पुष्टि हुई कि स्प्रे अपने इच्छित तंत्र के माध्यम से काम कर रहा था। शोधकर्ताओं ने एक अलग प्रकार के रोगजनक के विरुद्ध भी रसायन का परीक्षण किया, जो 'डाउनी मिल्ड्यू' (downy mildew) का कारण बनने वाला एक जल मोल्ड (water mold) है। फिर से, उपचारित पौधों ने मजबूत प्रतिरोध दिखाया, जहाँ मोल्ड पत्तियों पर बढ़ने और प्रजनन करने में संघर्ष कर रहा था।
महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ता इस खुराक को लेकर सावधान थे जो पौधे की वृद्धि को बाधित किए बिना रक्षा प्रदान करे। उन्होंने पाया कि पचास नैनोमोल की कम खुराक बैक्टीरिया और मोल्ड संक्रमणों को रोकने के लिए पर्याप्त थी, बिना पौधे के आकार या वजन में किसी कमी के। हालाँकि, उच्च खुराक ने वृद्धि को धीमा कर दिया, जो अनुप्रयोग में सटीकता की आवश्यकता को रेखांकित करता है। सफलता केवल मॉडल पौधे तक सीमित नहीं थी। टीम ने इसी उपचार को तंबाकू के पौधों और रेपसीड (सरसों) की एक व्यावसायिक किस्म पर लागू किया, जो एक प्रमुख तेल फसल है। दोनों मामलों में, स्प्रे ने बैक्टीरिया के संक्रमण और रोग के लक्षणों को कम किया। रसायन विभिन्न प्रजातियों में प्रभावी ढंग से काम कर रहा था, जो यह सुझाव देता है कि यह प्रतिरक्षा संकेतन पथ प्रयोगशालाओं में अध्ययन किए जाने वाले छोटे खरपतवारों से लेकर कृषि के बड़े खेतों तक, फसलों की एक विस्तृत श्रृंखला में संरक्षित है।
इस कार्य के निहितार्थ केवल एक नए स्प्रे तक ही सीमित नहीं हैं। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि पौधे के अपने प्रतिरक्षा संकेतों को अधिक प्रभावी और स्थिर बनाने के लिए उन्हें रासायनिक रूप से इंजीनियर करना संभव है। एक ऐसा अणु बनाकर जो पौधे के अपने अलार्म सिस्टम की नकल करता है लेकिन अधिक मजबूत और शक्तिशाली है, उन्होंने एक ऐसा उपकरण प्रदान किया है जो बीमारी के आने से पहले पौधे की रक्षा प्रणाली को तैयार कर सकता है। यह दृष्टिकोण पारंपरिक कीटनाशकों का एक संभावित विकल्प प्रदान करता है, जो अक्सर लाभकारी जीवों को मार देते हैं और जिनसे प्रतिरोधी कीट उत्पन्न हो सकते हैं। रोगजनक पर सीधे हमला करने के बजाय, यह विधि स्वयं पौधे को मजबूत करती है। अध्ययन बताता है कि सही रासायनिक इंजीनियरिंग के साथ, इन प्राकृतिक प्रतिरक्षा उत्तेजकों को विभिन्न प्रकार की फसलों के लिए व्यापक-स्पेक्ट्रम संरक्षकों के रूप में विकसित किया जा सकता है, जो बदलती दुनिया में खाद्य उत्पादन को सुरक्षित करने का एक सतत तरीका है। यह कार्य इस प्रमाण के रूप में खड़ा है कि पादप प्रतिरक्षा की आणविक भाषा को समझने से वैश्विक कृषि के लिए व्यावहारिक, इंजीनियर समाधान विकसित किए जा सकते हैं।
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