The chitin deacetylase TlCDA from Tilletia laevis facilitates pathogen infection by suppressing plant immunity

गेहूं के खेत दुनिया की अन्न भंडार हैं, लेकिन वे लगातार अदृश्य आक्रमणकारियों के घेरे में रहते हैं। इनमें सबसे विनाशकारी कवक (फंगस) हैं, जो सूक्ष्म जीव हैं जो पौधों की कोशिकाओं पर आक्रमण करते हैं और पोषक तत्वों को चुरा लेते हैं। खुद का बचाव करने के लिए, पौधों ने एक परिष्कृत प्रतिरक्षा प्रणाली विकसित की है। वे पहरेदारों की तरह कार्य करते हैं, जो घुसपैदमियों द्वारा छोड़े गए विशिष्ट रासायनिक संकेतों के लिए हवा और अपनी सतहों को स्कैन करते हैं। सबसे सामान्य संकेतों में से एक चिटिन (chitin) है, जो एक मजबूत, संरचनात्मक सामग्री है जो कवकों की कोशिका भित्ति (cell walls) का निर्माण करती है। जब एक पौधा चिटिन के अंशों का पता लगाता है, तो वह अलार्म बजा देता है, जिससे रक्षा की एक श्रृंखला शुरू हो जाती है जिसमें हमलावर को मारने के लिए जहरीले रसायनों का तेजी से उत्पादन या संक्रमण को रोकने के लिए संक्रमित कोशिकाओं की जानबूझकर मृत्यु शामिल हो सकती है। यह लुका-छिपी का एक उच्च दांव वाला खेल है जहाँ कवक को जीवित रहने के लिए अपनी उपस्थिति को छिपाना होता है।

इस जैविक हथियारों की दौड़ में, कुछ कवकों ने अपने स्वरूप को बदलने का तरीका सीख लिया है। वे ऐसे एंजाइम पैदा करते हैं जो अपनी कोशिका भित्तियों को रासायनिक रूप से संशोधित करते हैं, प्रभावी रूप से उस विशिष्ट चिटिन हस्ताक्षर को मिटा देते हैं जिस पर पौधे की प्रतिरक्षा प्रणाली निर्भर करती है। यह रणनीति उन्हें पौधे की रक्षा प्रणाली से बचकर निकलने और संक्रमण स्थापित करने की अनुमति देती है। चीनी कृषि विज्ञान अकादमी के शोधकर्ताओं द्वारा प्रकाशित एक नया अध्ययन टिलेटिया लेविस (Tilletia laevis) नामक एक विशिष्ट कवक पर केंद्रित है, जो गेहूं में 'कॉमन बंट' (common bunt) नामक विनाशकारी रोग का कारण बनता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह कवक अपनी पहचान को छिपाने के लिए एक विशेष उपकरण का उपयोग करता है, और उन्होंने विस्तार से बताया है कि यह उपकरण कैसे काम करता है और कवक की सफलता के लिए यह क्यों आवश्यक है।

वैज्ञानिकों ने कवक द्वारा उत्पादित एक प्रोटीन की पहचान की जिसे TlCDA कहा जाता है। यह प्रोटीन एक रासायनिक इरेज़र (मिटाने वाले यंत्र) के रूपas कार्य करता है। इसका काम कवक की अपनी कोशिका भित्ति में मौजूद विशिष्ट रासायनिक समूहों को हटाना है, जिससे इसे चिटोसन (chitosan) नामक एक अलग पदार्थ में बदल दिया जाता है। चिटिन के विपरीत, चिटोसन पौधे के प्रतिरक्षा अलार्म को सक्रिय नहीं करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कवक संक्रमण की शुरुआत में ही इस प्रोटीन का बड़ी मात्रा में उत्पादन करता है, जो यह दर्शाता है कि यह आक्रमण प्रक्रिया का एक महत्वपूर्ण पहला चरण है। यह सिद्ध करने के लिए कि TlCDA वास्तव में एक सक्रिय एंजाइम है, टीम ने प्रयोगशाला सेटिंग में इसका परीक्षण किया और पुष्टि की कि यह सफलतापूर्वक इस रासायनिक परिवर्तन को कर सकता है। उन्होंने यह भी सत्यापित किया कि प्रोटीन कवक द्वारा स्रावित (secreted) किया जाता है, जिसका अर्थ है कि इसे कोशिका भित्ति पर बाहर से काम करने के लिए कवक कोशिका के बाहर छोड़ा जाता है।

यह समझने के लिए कि इस प्रोटीन के न होने पर क्या होता है, शोधकर्ताओं ने कवक का एक ऐसा संस्करण बनाया जो TlCDA का उत्पादन नहीं कर सकता था। इस रासायनिक इरेज़र के बिना, कवक को काफी संघर्ष करना पड़ा। प्रयोगशाला परीक्षणों में, उत्परिवर्तित (mutant) कवक सामान्य संस्करण की तुलना में बहुत धीमी गति से बढ़ा। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि जब इसे काइटिनेज (chitinase) के संपर्क में लाया गया, जो एक एंजाइम है जिसे पौधे स्वाभाविक रूप से कवक की कोशिका भित्तियों को तोड़ने के लिए उत्पन्न करते हैं, तो उत्परिवर्तित कवक आसानी से नष्ट हो गया। सामान्य कवक, जो TlCDA द्वारा संरक्षित था, इस हमले का सामना कर सका। इसने पुष्टि की कि प्रोटीन की प्राथमिक भूमिका कवक को पौधे के रासायनिक हथियारों से बचाना है।

अध्ययन फिर जीवित पौधों पर चला गया ताकि यह देखा जा सके कि यह आणविक ढाल समग्र संक्रमण को कैसे प्रभावित करती है। शोधकर्ताओं ने एक सामान्य मॉडल पौधे, तंबाकू की पत्तियों में TlCDA प्रोटीन को पेश किया। उन्होंने देखा कि इस प्रोटीन की उपस्थिति ने पौधे को सामान्य रक्षा प्रणाली विकसित करने से रोक दिया। विशेष रूप से, प्रोटीन ने पौधे को रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज (reactive oxygen species) बनाने से रोका, जो हमलावरों को मारने के लिए उपयोग किए जाने वाले जहरीले रसायनों के विस्फोट हैं, और इसने पौधे को अपने रक्षा जीन को सक्रिय करने से भी रोक दिया। एक अलग प्रयोग में, टीम ने दिखाया कि प्रोटीन पौधे को अपने स्वयं के संक्रमित कोशिकाओं को मारने से रोक सकता है, जो प्रोग्राम्ड सेल डेथ (programmed cell death) नामक एक प्रक्रिया है जिसका उपयोग अक्सर संक्रमण को रोकने के लिए किया जाता है। अनिवार्य रूप रूप से, TlCDA एक दमनकारी (suppressor) के रूप में कार्य करता है, पौधे की प्रतिरक्षा प्रणाली को शांत करता है और कवक को बिना पता चले प्रवेश करने की अनुमति देता है।

जब शोधकर्ताओं ने उत्परिवर्तित कवक के साथ गेहूं के पौधों को संक्रमित किया जिसमें TlCDA की कमी थी, तो परिणाम स्पष्ट थे। उत्परिवर्तित कवक बीमारी पैदा करने में बहुत कम सफल रहा। जबकि सामान्य कवक ने लगभग 58 प्रतिशत गेहूं के पौधों को संक्रमित किया और बीजाणुओं (spores) से भरे भारी, काले गैल (galls) पैदा किए, उत्परिवर्तित कवक ने केवल लगभग 22 प्रतिशत को संक्रमित किया। इसके अलावा, उत्परिवर्तित पौधों के अंदर पाए गए कवक द्रव्यमान की मात्रा सामान्य कवक द्वारा संक्रमित पौधों में पाए जाने वाले द्रव्यमान का लगभग एक-तिहाई थी। उत्परिवर्तित कवक अपने बीजाणुओं को पौधे के चिटिन-पाचक एंजाइमों से बचाने में भी विफल रहा, जिससे इन एंजाइमों के संपर्क में आने पर बीजाणुओं के अंकुरण दर में भारी गिरावट आई।

ये निष्कर्ष एक स्पष्ट तस्वीर पेश करते हैं कि कैसे टिलेटिया लेविस अपने मेजबान पर विजय प्राप्त करता है। कवक केवल शारीरिक बल पर निर्भर नहीं है; यह धोखे पर निर्भर है। TlCDA का स्राव करके, यह अपने स्वयं के कवच को रासायनिक रूप से बदल देता है, जिससे यह पौधे के प्रतिरक्षा सेंसरों के लिए अदृश्य हो जाता है। यह कवक को प्रारंभिक रक्षाओं को बायपास करने, जहरीले रासायनिक हमलों से बचने और गेहूं में अपनी जगह बनाने की अनुमति देता है। अध्ययन बताता है कि यह प्रोटीन कवक के शस्त्रागार में एक प्रमुख हथियार है, और इसके बिना, कवक काफी कमजोर हो जाता है। चूंकि यह प्रोटीन संक्रमण प्रक्रिया के लिए इतना केंद्रीय है, इसलिए शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि यह नियंत्रण के नए तरीकों के लिए एक लक्ष्य के रूप में कार्य कर सकता है। TlCDA की क्रिया को रोकने के तरीके विकसित करके, किसान गेहूं के पौधों की प्राकृतिक क्षमता को बहाल कर सकते हैं जिससे वे कवक को देख सकें और उससे लड़ सकें, जो इस निरंतर खतरे से वैश्विक गेहूं आपूर्ति की रक्षा करने का एक नया मार्ग प्रदान करता है।