Comprehensive profiling of Tubby-like protein in grapevine and the functional role of VamTLP1 in cold stress response

द ग्रेपवाइन का गुप्त मौसम रिपोर्ट (The Grapevine's Secret Weather Report)

एक पौधे की कल्पना एक हलचल भरे शहर के रूप में करें। इस शहर के भीतर लाखों नन्हे कर्मचारी हैं, जिनमें से प्रत्येक का एक विशिष्ट कार्य है। कुछ दीवारें बनाते हैं, अन्य भोजन पहुँचाते हैं, और कुछ शहर के सुरक्षा गार्ड के रूप में कार्य करते हैं, जो तूफान आने पर अलार्म बजाते हैं। जीव विज्ञान की दुनिया में, ये कर्मचारी अक्सर प्रोटीन होते हैं, और वे "प्रबंधक" जो उन्हें बताते हैं कि क्या करना है, उन्हें ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर्स (transcription factors) कहा जाता है। ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर्स को एक निर्माण स्थल के फोरमैन (foremen) के रूप में सोचें; वे ब्लूप्रिंट (पौधे का डीएनए) को पढ़ते हैं और श्रमिकों को रक्षा निर्माण शुरू करने या अपना शेड्यूल बदलने के आदेश चिल्लाकर देते हैं।

इन फोरमैनों का एक विशिष्ट परिवार है जिसे टब्बी-लाइक प्रोटीन (Tubby-like proteins - TLPs) कहा जाता है। आप सोच सकते हैं कि उनका नाम "टब्बी" क्यों है। यह चूहों में एक खोज से आया है जहाँ एक समान जीन में उत्परिवर्तन (mutation) के कारण चूहे बहुत भारी, या "टब्बी" हो गए थे। हालाँकि, पौधों में, ये प्रोटीन वजन के बारे में नहीं हैं; वे परम बहुआयामी (multitaskers) हैं। वे पौधों को बढ़ने, फल विकसित करने और सबसे महत्वपूर्ण बात, मौसम खराब होने पर जीवित रहने में मदद करते हैं। चाहे वह सूखा हो, मिट्टी में बहुत अधिक नमक हो, या अचानक ठंड पड़ जाए, TLPs अक्सर सबसे पहले नोटिस करते हैं और सबसे पहले सैनिकों को इकट्ठा करते हैं। वैज्ञानिक उनमें बहुत रुचि रखते हैं क्योंकि यदि हम यह समझ सकें कि ये प्रोटीन कैसे काम करते हैं, तो हम फसलों को चरम मौसम में जीवित रहने में मदद कर सकते हैं, जो जलवायु परिवर्तन के साथ अधिक सामान्य होता जा रहा है।

द ग्रेपवाइन के ठंडे मौसम के सुपरहीरो (The Grapevine's Cold-Weather Superheroes)

इस अध्ययन में, निंग्ज़िया विश्वविद्यालय (Ningxia University) के शोधकर्ताओं ने अंगूर की बेल (Vitis vinifera) में गहराई से उतरने का निर्णय लिया, जो एक ऐसी फसल है जो वाइन बनाने के लिए अविश्वसनीय रूप से महत्वपूर्ण है लेकिन ठंड के झटकों के प्रति बहुत संवेदनशील है। वे जानना चाहते थे: "अंगूर की बेल में TLP प्रबंधक कौन हैं, और जब तापमान गिरता है तो वे क्या कर रहे होते हैं?"

सबसे पहले, टीम ने जीन जासूसों की तरह काम किया, अंगूर की बेल के पूरे जीनोम को स्कैन किया ताकि डीएनए में छिपे हर एक TLP जीन को खोजा जा सके। उन्हें ठीक 13 जीन मिले। उन्होंने उन्हें केवल खोजा ही नहीं; उन्होंने उन्हें एक खजाने के नक्शे की तरह मैप किया, यह पता लगाया कि ये 13 जीन 10 अलग-अलग गुणसूत्रों (chromosomes - डीएनए के लंबे धागे जो निर्देश रखते हैं) में असमान रूप से बिखरे हुए हैं। यह एक टूलबॉक्स में 13 विशिष्ट उपकरणों को खोजने जैसा है, लेकिन वे सभी एक ही जगह करीने से रखे होने के बजाय अलग-अलग दराजों में रखे हुए हैं।

शोधकर्ताओं ने इन प्रोटीनों का एक वंशावली वृक्ष (family tree) बनाया ताकि यह देखा जा सके कि वे चावल, सेब और टमाटर जैसे अन्य पौधों के TLPs से कैसे संबंधित हैं। उन्होंने पाया कि अंगूर के TLPs तीन मुख्य समूहों में आते हैं। दिलचस्प बात यह है कि उन्होंने पाया कि ये जीन एक-दूसरे के ठीक बगल में बैठकर और खुद को कॉपी करके (जिसे टैंडम डुप्लीकेशन कहा जाता है) नहीं बढ़े। इसके बजाय, अंगूर का TLP परिवार "सेगमेंटल डुप्लीकेशन" (segmental duplication) के माध्यम से बढ़ा, जो ऐसा है जैसे निर्देश पुस्तिका का एक पूरा पन्ना कॉपी और पेस्ट किया गया हो। यह इस बात का सुझाव देता है कि अंगूरों को उनके तनाव-विरोधी उपकरण कैसे मिले, इसके लिए एक विशिष्ट विकासवादी इतिहास है।

लेकिन असली कहानी तब शुरू होती है जब मौसम ठंडा होता है। टीम ने देखा कि जब पौधा तनाव में होता है तो ये जीन कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने पाया कि जबकि कुछ TLPs अधिकांश समय शांत रहते हैं, अन्य, जैसे कि VviTLP1, VviTLP7, और VviTLP10, सूखे, नमक या ठंड का सामना करने पर जाग जाते हैं और आदेश चिल्लाना शुरू कर देते हैं।

यह पता लगाने के लिए कि VamTLP1 (एक ठंडे मौसम को सहने वाले जंगली अंगूर में पाया जाने वाला एक विशिष्ट जीन संस्करण) वास्तव में क्या कर रहा था, वैज्ञानिकों ने "क्या होगा अगर" का खेल खेला। उन्होंने VamTLP1 के जीन को लिया और उसे नियमित अंगूर के पौधों और अंगूर की कोशिकाओं (calli) में ओवरटाइम काम करने के लिए मजबूर किया। फिर उन्होंने इन सुपर-चार्ज्ड पौधों को जमा देने वाले तापमान के संपर्क में लाया।

परिणाम एक सुपरहीरो द्वारा दिन बचाने के दृश्य देखने जैसा था। VamTLP1 के अतिरिक्त वाले पौधों ने सामान्य पौधों की तुलना में ठंड में बहुत बेहतर तरीके से जीवित रहे। सामान्य पौधे मुरझा गए और मर गए, लेकिन सुपर-प्लांट्स हरे और स्वस्थ रहे। क्यों? क्योंकि VamTLP1 एक सफाई दल (cleanup crew) की तरह काम करता था। जब पौधों को ठंड लगती है, तो वे रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज (ROS) नामक हानिकारक रसायन पैदा करते हैं, जो जंग या जहरीले कचरे की तरह होते हैं जो पौधे की कोशिकाओं को नुकसान पहुँचाते हैं। VamTLP1 सुपर-प्लांट्स इस जहरीले कचरे को साफ करने में बहुत बेहतर थे। उनके पास सुरक्षात्मक एंजाइमों (जैसे SOD और POD) का उच्च स्तर था और उनकी कोशिका भित्ति (cell walls) को कम नुकसान हुआ था।

इसके अलावा, अध्ययन ने दिखाया कि VamTLP1 ने न केवल गंदगी को साफ किया; इसने पौधे के आंतरिक अलार्म सिस्टम को भी चालू कर दिया। इसने अन्य जीनों की गतिविधि को बढ़ाया जिन्हें "CBF पाथवे" (CBF pathway) के रूप में जाना जाता है, जो ठंड प्रतिरोध के मास्टर स्विच हैं। यह ऐसा है जैसे VamTLP1 ने न केवल टूटी हुई खिड़कियों को ठीक किया; बल्कि उसने तूफान के लिए तैयार होने के लिए पूरे पड़ोस को भी बुलाया।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि ये प्रोटीन कोशिका के भीतर कहाँ रहते हैं। उन्होंने पाया कि कुछ TLPs केंद्रक (nucleus - नियंत्रण केंद्र) में रहते हैं, जबकि अन्य कोशिका की बाहरी दीवार (प्लाज्मा झिल्ली) के पास रहते हैं। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि क्या ये प्रोटीन वास्तव में जीनों को चालू करने के लिए "स्विच" के रूप में कार्य कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि VamTLP1, VamTLP7, और VamTLP10 वास्तव में स्विच को बदल सकते थे, लेकिन VamTLP3c और VamTLP3e ऐसा नहीं कर सके, जिससे पता चलता है कि उन्हें अपना काम करने के लिए एक साथी की आवश्यकता हो सकती है।

अंत में, यह पेपर केवल जीनों की सूची नहीं देता है; यह VamTLP1 को ठंड से बचने में मदद करने वाले एक प्रमुख खिलाड़ी के रूप में पहचानता है। हालांकि वैज्ञानिकों ने अभी तक ठीक से यह साबित नहीं किया है कि VamTLP1 स्विच को चालू करने के लिए डीएनए को कैसे पकड़ता है (यह अगला रहस्य है जिसे सुलझाना है), उनके प्रयोगों से दृढ़ता से संकेत मिलता है कि इस प्रोटीन को बढ़ाना उन अंगूरों को उगाने का एक शक्तिशाली तरीका हो सकता है जो बिना मरे पाले (frost) को सहन कर सकें। यह एक छोटा कदम है, लेकिन एक अंगूर उत्पादक के लिए जो समाचारों में ठंड की चेतावनी देख रहा है, यह एक बहुत ही आशाजनक संकेत है।