SiFEA4 encoding the bZIP transcription factor regulates panicle architecture in foxtail millet (Setaria italica)

पौधों की दुनिया की कल्पना एक हलचल भरे निर्माण स्थल (construction site) के रूप में करें, जहाँ लक्ष्य दुनिया का पेट भरने के लिए एक आदर्श "फलों का कारखाना" बनाना है। फॉक्सटेल मिलेट (foxtail millet) के मामले में, जो एक प्राचीन और कठोर अनाज है और शुष्क स्थानों में पनपता है, इस कारखाने को पैनिकल (panicle) कहा जाता है। पैनिकल को अनाज के एक विशाल, शाखाओं वाले पेड़ के रूप में सोचें। इस पेड़ के बिल्कुल शीर्ष पर एक छोटा सा, जादुई निर्माण क्षेत्र स्थित है जिसे इन्फ्लोरेसेंस मेरिस्टम (inflorescence meristem - IM) कहा जाता है। आप IM को एक व्यस्त फोरमैन या एक मास्टर आर्किटेक्ट के रूप में देख सकते हैं। इसका काम यह तय करना है कि कितनी शाखाएँ बनाई जाएँगी और उन पर कितने अनाज के दाने पैक किए जाएँगे। यदि फोरमैन बहुत सख्त है, तो पेड़ छोटा और विरल रहेगा। यदि फोरमैन भ्रमित हो जाता है या बेकाबू हो जाता है, तो पेड़ में बहुत अधिक शाखाएँ हो सकती हैं, या वे उलझकर अजीब हो सकती हैं।

इस फोरमैन के आकार और गतिविधि को ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर्स (transcription factors) की एक टीम द्वारा नियंत्रित किया जाता है। इन ट्रांस्क्रिप्शन फैक्टर्स को फोरमैन के बॉस के रूप में सोचें, एक मैनेजर जिसके पास निर्देशों की सूची वाला एक क्लिपबोर्ड है। यह मैनेजर फोरमैन को ठीक से बताता है कि उसे कब निर्माण रोकना है, उसे कितना बड़ा होना है, और कब शाखाएँ बनाने से फूलों को बनाने की ओर स्विच करना है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि मक्का और चावल जैसी फसलों में, एक प्रसिद्ध "फीडबैक लूप" (एक ऐसी प्रणाली जहाँ कार्यकर्ता अपने बॉस को शांत होने के लिए कहते हैं) होता है जो इस निर्माण स्थल को नियंत्रण से बाहर होने से रोकता है। लेकिन फॉक्सटेल मिलेट में, इस खेल के नियम एक रहस्य थे। क्यों कुछ मिलेट पौधों के अनाज के सिर बिल्कुल सामान्य होते हैं, जबकि अन्य के शीर्ष पर अजीब, दोमुंही शाखाएँ होती हैं, जो दिखने में बिल्ली के पंजे (cat's claw) जैसी लगती हैं? इसे समझना केवल वनस्पति विज्ञान के बारे में नहीं है; यह इन प्रबंधकों को बदलने के बारे में है ताकि दुनिया के लिए अधिक भोजन उगाया जा सके।

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"कैट्स क्लॉ" (बिल्ली के पंजे) मिलेट का रहस्य

इस अध्ययन में, शंक्सी एग्रीकल्चरल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं को WY159 नामक एक फॉक्सटेल मिलेट लैंडरेस (एक पारंपरिक, स्थानीय किस्म) मिला। जबकि अधिकांश मिलेट पौधों के अनाज के सिर व्यवस्थित और सीधे होते हैं, WY159 में एक अजीब विशेषता थी: इसके अनाज के सिर बिल्कुल ऊपर से विभाजित हो जाते थे, जो बिल्ली के पंजे की तरह शाखाओं में बंट जाते थे। वैज्ञानिकों को संदेह था कि यह इसलिए हुआ क्योंकि पौधे के शीर्ष पर स्थित "फोरमैन" (इन्फ्लोरेसेंस मेरिस्टम) भ्रमित हो गया था, जो सघन रहने के बजाय बहुत बड़ा और चपटा होकर बढ़ गया।

यह पता लगाने के लिए कि गलत निर्देश कौन दे रहा था, टीम ने एक जासूस की भूमिका निभाई। उन्होंने अजीब WY159 पौधे को एक सामान्य, उत्कृष्ट किस्म Yugu1 के साथ क्रॉस कराया। पहली पीढ़ी के बच्चे सामान्य दिखे, लेकिन जब उन बच्चों के अपने बच्चे (दूसरी पीढ़ी) हुए, तो "कैट्स क्लॉ" वाला गुण लगभग चार में से एक पौधे में दिखाई दिया। इससे वैज्ञानिकों को पता चला कि समस्या पौधे के डीएनए में एक एकल "टूटे हुए" निर्देश के कारण थी, और यह एक रिसेसिव (recessive) लक्षण था (यानी, अजीब शाखाओं को देखने के लिए टूटे हुए निर्देश की दो प्रतियों की आवश्यकता होती है)।

अपराधी: SiFEA4

मैप-आधारित क्लोनिंग (map-based cloning) नामक तकनीक का उपयोग करते हुए (जो लैंडमार्क की जाँच करके खोज क्षेत्र को मानचित्र पर कम करने जैसा है), टीम ने टूटे हुए निर्देश को क्रोमोसोम 4 के एक विशिष्ट स्थान तक ट्रैक किया। उन्हें SiFEA4 नामक एक जीन मिला। यह जीन एक bZIP ट्रांस्क्रिप्शन फैक्टर के लिए कोड करता है, जो एक प्रकार का प्रोटीन मैनेजर है जो डीएनए को पढ़ता है और अन्य जीनों को निर्देश देता है।

यहाँ एक मोड़ है: अजीब WY1159 पौधे में, प्रमोटर रीजन (promoter region) में, जो SiFEA4 जीन का "ऑन स्विच" या पता लेबल है, एक विशाल 2,649 बेस पेयर डिलेशन (DNA का एक हिस्सा गायब होना) था। क्योंकि यह हिस्सा गायब था, स्विच टूट गया था, और SiFEA4 मैनेजर पर्याप्त संख्या में उत्पादित नहीं हो पा रहा था। जीन काफी हद तक डाउनरेगुलेटेड (downregulated) (बहुत कम कर दिया गया) था, जिससे पौधा अपने सामान्य निर्देशों से वंचित रह गया।

आणविक स्कैल्पल के साथ सिद्धांत को सिद्ध करना

पूरी तरह आश्वस्त होने के लिए कि SiFEA4 ही असली अपराधी था, शोधकर्ताओं ने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने CRISPR/Cas9 का उपयोग किया, जो एक जीन-एडिटिंग टूल है जो एक आणविक स्कैल्पल (molecular scalpel) की तरह कार्य करता है। उन्होंने Ci846 नामक एक सामान्य फॉक्सटेल मिलेट किस्म ली और जानबूझकर SiFEA4 जीन को तोड़ दिया, जिससे दो उत्परिवर्ती (mutant) संस्करण बने जिन्हें sifea4-8 और sifea4-9 नाम दिया गया।

परिणाम क्या रहा? उत्परिवर्ती (mutants) बिल्कुल अजीब WY159 पौधे की तरह दिखे!

• फोरमैन बड़ा हो गया: उत्परिवर्ती पौधों के शीर्ष पर इन्फ्लोरेसेंस मेरिस्टम (निर्माण स्थल) बड़ा (enlarged), चपटा (flattened) हो गया, और फिर उसमें एक केंद्रीय अवसाद (central depression) (बीच में एक खांच) विकसित हो गया।
• शाखाओं का बनना: इस भ्रम के कारण पैनिकल एपेक्स ब्रांचिंग (panicle apex branching) की स्थिति पैदा हुई—यानी अनाज का सिर ऊपर से दो भागों में बंट गया।
• अन्य परिवर्तन: उत्परिवर्ती पौधों की ऊंचाई भी कम हो गई (कम ऊंचाई) और उनके अनाज के सिरों पर प्राथमिक शाखाओं की संख्या अधिक थी (क्रमशः लगभग 54.29% और 46.57% अधिक)। हालांकि, ये अतिरिक्त शाखाएं पतली (slender) थीं और प्रत्येक शाखा पर दानों की संख्या कम थी (एक गिरावट 40.52% और 42.51% की)।

परिणामस्वरूप, यह एक ऐसा पौधा था जिसमें अधिक शाखाएं थीं, लेकिन चूंकि शाखाएं पतली और कमजोर थीं, इसलिए अनाज का कुल वजन वास्तव में नहीं बढ़ा। यह एक घर बनाने जैसा था जिसमें बहुत सारे कमरे तो हैं लेकिन उन्हें थामे रखने के लिए पर्याप्त दीवारें नहीं हैं।

SiFEA4 वास्तव में कैसे काम करता है?

टीम जानना चाहती थी कि SiFEA4 इस सब पर कैसे नियंत्रण रखता है। उन्होंने दो शक्तिशाली उपकरणों का उपयोग किया:

1. RNA-seq: यह पौधे के जीनों द्वारा भेजे जाने वाले हर संदेश का स्नैपशॉट लेने जैसा है। उन्होंने पाया कि जब SiFEA4 टूटा हुआ था, तो पौधे के हार्मोन सिग्नलिंग पाथवे (hormone signaling pathways) अनियंत्रित हो गए थे। विशेष रूप से, जैस्मोनिक एसिड (jasmonic acid), एब्सिसिक एसिड (abscisic acid), जिबरेलिन (gibberellin), और एथिलीन (ethylene) (पौधों के हार्मोन जो विकास और तनाव को नियंत्रित करते हैं) से जुड़े जीन बदल गए थे।
2. DAP-seq: यह तकनीक पता लगाती है कि SiFEA4 मैनेजर वास्तव में डीएनए के किन हिस्सों को पकड़ता है। उन्होंने पाया कि 23,145 बाइंडिंग साइट्स थीं जहाँ SiFEA4 डीएनए से जुड़ा था।

इन दोनों सूचियों को मिलाकर, उन्होंने पाया कि 89 जीन हैं जिन्हें SiFEA4 सीधे नियंत्रित करता है। सबसे महत्वपूर्ण लक्ष्यों में से एक SiERF109 था, जो AP2/ERF परिवार (शाखाओं को नियंत्रित करने वाले प्रबंधकों का एक अन्य समूह) का एक जीन है। उत्परिवर्ती (mutants) में, SiERF109 काफी कम हो गया, और दिखाया गया कि SiFEA4 सीधे इसके प्रमोटर से बंधा हुआ है। यह सुझाव देता है कि SiFEA4 सामान्य रूप से पौधे को बहुत अधिक शाखाएं उगाने से रोकने के लिए SiERF109 को नियंत्रण में रखता है।

इसका अर्थ क्या है (और क्या नहीं है)

अध्ययन बताता है कि SiFEA4 एक प्लियोट्रोपिक जीन (pleiotropic gene) है, जिसका अर्थ है कि एक ही जीन कई गुणों को नियंत्रित करता है: अनाज के सिर का आकार, पौधे की ऊंचाई और शाखाओं की संख्या।

दिलचस्प बात यह है कि शोधकर्ताओं ने पाया कि SiFEA4 प्रसिद्ध CLV-WUS फीडबैक लूप (कई पौधों में पाया जाने वाला मानक "स्टॉप सिग्नल" सिस्टम) से स्वतंत्र रूप से कार्य करता है। दूसरे शब्दों में, SiFEA4 का अपना अनूठा तरीका है जिससे वह पौधे को बताता है कि शाखाएं बनाना कब बंद करना है, जो सामान्य नियमों से अलग है।

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि SiFEA4 को तोड़ने से अधिक शाखाएं बनती हैं, लेकिन इसका मतलब यह नहीं है कि अधिक भोजन भी मिलेगा क्योंकि शाखाएं बहुत पतली हो जाती हैं। हालांकि, लेखकों का सुझाव है कि यदि हम जीन एडिटिंग का उपयोग करके एक "कमजोर एलील" (weak allele) (जीन का एक ऐसा संस्करण जो थोड़ा कम सक्रिय है, लेकिन पूरी तरह से टूटा हुआ नहीं है) बना सकें, तो हम दोनों का सर्वश्रेष्ठ प्राप्त कर सकते हैं: बिना पतली, कमजोर संरचना के अधिक शाखाएं। यह ब्रीडर्स को ऐसे मिलेट पौधे डिजाइन करने में मदद कर सकता है जो बेहतर उपज के लिए अपने स्थान का अधिक कुशलता से उपयोग करते हैं।

संक्षेप में, शोधकर्ताओं ने वह "बॉस" जीन (SiFEA4) खोज लिया है जो फॉक्सटेल मिलेट के अनाज के सिर को बेकाबू होने से रोकता है। जब बॉस गायब होता है, तो निर्माण स्थल बहुत बड़ा हो जाता है, शाखाएं विभाजित हो जाती हैं, और पौधा छोटा हो जाता है। हालांकि हम केवल अधिक भोजन पाने के लिए इस जीन को तोड़ नहीं सकते, लेकिन इस बॉस को समझना वैज्ञानिकों को भविष्य में बेहतर फसल के लिए पौधे की संरचना को बदलने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है।