Identification and characterization of the CCoAOMT gene family in walnut and the regulatory function of JrCCoAOMT3 in lignin biosynthesis

पौधे अपना कंकाल स्वयं बनाते हैं। जानवरों के विपरीत जो अपने शरीर के भीतर हड्डियाँ विकसित करते हैं, पेड़ और झाड़ियाँ बाहर से भीतर की ओर एक कठोर ढांचा तैयार करती हैं, जिसमें वे अपनी कोशिकाओं को लिग्निन नामक एक सख्त, जटिल पदार्थ की परतों से भर देती हैं। यह पदार्थ वनस्पति जगत के सीमेंट और स्टील के सुदृढीकरण (rebar) की तरह कार्य करता है, जो तनों को गुरुत्वाकर्षण और हवा के विरुद्ध सीधा खड़ा रखने के साथ-साथ कोमल आंतरिक ऊतकों को कीटों और बीमारियों से बचाता है। अखरोट के पेड़ में, यह प्रक्रिया विशेष रूप से नाटकीय होती है। जैसे-जैसे अखरोट विकसित होता है, आंतरिक खोल, जिसे एंडोकार्प (endocarp) कहा जाता है, एक तीव्र कठोरता के चरण से गुजरता है जहाँ भारी मात्रा में लिग्निन जमा किया जाता है। यह कठोरता किसान के लिए एक दोधारी तलवार है: एक बहुत पतला खोल फल (kernel) को कम सुरक्षा प्रदान करता है, लेकिन एक बहुत अधिक सख्त खोल यांत्रिक कटाई को कठिन बना देता है और अखरोट के अंदर के हिस्से को भी तोड़ सकता है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि एंजाइमों का एक विशिष्ट समूह इस निर्माण परियोजना के द्वारपाल के रूप में कार्य करता है, जो यह तय करता है कि कितना लिग्निन बनेगा और वह किस प्रकार का होगा। फिर भी, अखरोट के पेड़ों में ये एंजाइम किन सटीक निर्देशों का पालन करते हैं, यह एक रहस्य बना हुआ था।

रुइक्सिया गाओ और झोंगझोंग गुओ के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने अखरोट के जीनोम का अध्ययन करके इन निर्देशों को डिकोड करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने जीन के एक परिवार पर ध्यान केंद्रित किया जो CCoAOMT नामक एंजाइम का उत्पादन करता है, जो लिग्निन बनाने के लिए आवश्यक है। अखरोट के पूरे आनुवंशिक कोड को स्कैन करके, उन्होंने इस जीन परिवार के ग्यारह अलग-अलग सदस्यों की पहचान की। ये जीन पांच अलग-अलग गुणसूत्रों (chromosomes) पर असमान रूप से बिखरे हुए हैं, जो यह दर्शाता है कि पेड़ ने अपने खोल की कठोरता को प्रबंधित करने के लिए एक जटिल, वितरित प्रणाली विकसित की है। शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान एक विशिष्ट जीन, JrCCoAOMT3 पर केंद्रित किया, जो उस महत्वपूर्ण अवधि के दौरान सबसे सक्रिय खिलाड़ी प्रतीत हुआ जब अखरोट का खोल सख्त होना शुरू होता है। उन्होंने पाया कि यह जीन ठीक उसी समय अपनी उच्चतम गतिविधि दिखाता है जब खोल नरम से पत्थर जैसा होने की अवस्था में संक्रमण करता है, और इसकी सक्रियता अखरोट के फूलों के पूरी तरह खिलने के 78 से 92 दिनों के बीच चरम पर होती है।

यह समझने के लिए कि यह जीन वास्तव में क्या करता है, वैज्ञानिकों ने केवल अवलोकन से आगे बढ़कर प्रयोग किया। उन्होंने अखरोट से JrCCoAOMT3 जीन लिया और उसे 'थैले क्रेस' (thale cress) के जीनोम में डाला, जो एक छोटा फूल वाला पौधा है और अक्सर आनुवंशिकी के अध्ययन के लिए एक मॉडल के रूपas उपयोग किया जाता है। इन पौधों को अखरोट के जीन की अतिरिक्त प्रतियां बनाने के लिए मजबूर करके, शोधकर्ता यह देख सके कि पौधे की जीवविज्ञान वास्तविक समय में कैसे बदलता है। परिणाम आश्चर्यजनक थे। संशोधित पौधे अपने सामान्य समकक्षों की तुलना में अधिक लंबे बढ़े, लेकिन उनके बीज के पात्र (siliques) काफी हल्के और छोटे हो गए। जब शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी के नीचे तनों और पात्रों की आंतरिक संरचना का परीक्षण किया, तो उन्होंने देखा कि कोशिका भित्तियाँ अधिक घनी और सघन हो गई थीं। पौधों ने अपनी कोशिका भित्ति बनाने वाली संरचनात्मक सामग्रियों का अधिक निर्माण किया था, विशेष रूप से अपने तनों और बीज पात्रों में हेमिसेल्यूलोज (hemicellulose) और कुल लिग्निन की मात्रा बढ़ाई थी।

हालाँकि, सबसे आश्चर्यजनक खोज केवल यह नहीं थी कि पौधों ने अधिक लिग्निन बनाया, बल्कि यह थी कि उन्होंने एक अलग प्रकार का लिग्निन बनाया। लिग्निन एक समान पदार्थ नहीं है; यह तीन अलग-अलग बिल्डिंग ब्लॉक्स से बना एक बहुलक (polymer) है, जिन्हें अक्सर H, G और S प्रकार कहा जाता है। इन प्रकारों के बीच का संतुलन ही यह निर्धारित करता है कि पौधे की लकड़ी कितनी कठोर या लचीली होगी। शोधकर्ताओं ने पाया कि अखरोट के जीन के अत्यधिक उत्पादन (overexpression) ने इस संतुलन में नाटकीय बदलाव किया। परीक्षण किए गए सभी ऊतकों में, H-प्रकार के लिग्निन की मात्रा में काफी गिरावट आई। तनों में, G-प्रकार के लिग्निन में वृद्धि हुई, जबकि S-प्रकार अपरिवर्तित रहा। यह सुझाव देता है कि अखरोट का जीन केवल लिग्निन उत्पादन को चालू करने वाला एक सामान्य स्विच नहीं है। इसके बजाय, यह एक विशेषज्ञ प्रबंधक की तरह कार्य करता है जो संसाधनों को एक प्रकार के बिल्डिंग ब्लॉक से हटाकर दूसरे की ओर मोड़ देता है।

अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि यह जीन कोशिका के भीतर कहाँ कार्य करता है। सूक्ष्मदर्शी के नीचे प्रोटीन को चमकने वाला बनाने वाली एक तकनीक का उपयोग करते हुए, टीम ने पुष्टि की कि JrCCoAOMT3 द्वारा उत्पादित प्रोटीन साइटोप्लाज्म (cytoplasm) में रहता है, जो कोशिका के भीतर तरल पदार्थ से भरा स्थान है जहाँ रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं। यह स्थान लिग्निन अग्रदूतों (precursors) को बनाने वाली रासायनिक प्रक्रिया में इसकी भूमिका के अनुरूप है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने उन आनुवंशिक "स्विचों" का विश्लेषण किया जो इस जीन को नियंत्रित करते हैं और पाया कि वे प्रकाश और पादप हार्मोन के प्रति संवेदनशील हैं। इसका तात्पर्य यह है कि अखरोट का पेड़ मौसम के साथ अपने खोल के सख्त होने के समय को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए सूर्य के प्रकाश और आंतरिक रासायनिक संकेतों जैसे पर्यावरणीय संकेतों का उपयोग करता है।

यद्यपि प्रयोग एक छोटे, तेजी से बढ़ने वाले पौधे में किए गए थे, लेकिन निष्कर्ष अखरोट के पेड़ अपने खोल कैसे बनाते हैं, इसकी एक स्पष्ट झलक प्रदान करते हैं। शोध से पता चलता है कि JrCCoAOMT3 एक मास्टर रेगुलेटर है जो न केवल सख्त होने की प्रक्रिया को संचालित करता है बल्कि खोल की रासायनिक संरचना को भी सूक्ष्म रूप से नियंत्रित करता है। विशिष्ट ऊतकों में H-प्रकार के लिग्निन को कम करके और G-प्रकार के लिग्निन को बढ़ाकर, यह जीन एक ऐसा खोल बनाने में मदद करता है जो सुरक्षा प्रदान करने के साथ-साथ बेहतर कृषि परिणामों के लिए हेरफेर करने योग्य भी हो सकता है। लेखक नोट करते हैं कि हालांकि ये परिणाम आशाजनक हैं, अगला कदम इस जीन का सीधे अखरोट के पेड़ों में परीक्षण करना है ताकि यह देखा जा सके कि क्या इसका उपयोग ऐसी किस्में उगाने के लिए किया जा सकता है जिनके खोल को बिना सुरक्षा से समझौता किए आसानी से तोड़ा जा सके। फिलहाल, यह कार्य एक ठोस आधार प्रदान करता है, जो उन विशिष्ट आनुवंशिक उपकरणों की पहचान करता है जिनका उपयोग प्रकृति नरम फल को कठोर खोल वाले खजाने में बदलने के लिए करती है।