Genome-wide Identification and Characterization of the 3- Dehydroquinate Dehydratase/Shikimate Dehydrogenase Gene Family in Rubus chingii Hu

पौधे केवल निष्क्रिय हरियाली नहीं हैं; वे रासायनिक कारखाने हैं जो जीवित रहने, बढ़ने और खुद को बचाने के लिए निरंतर बड़ी संख्या में यौगिकों का निर्माण करते हैं। इनमें सबसे महत्वपूर्ण कारखानों में से एक शिकीमेट पाथवे (shikimate pathway) के रूप में जाना जाने वाला एक मेटाबॉलिक मार्ग है, जो एक मौलिक मार्ग है जिसका उपयोग पौधे अमीनो एसिड और कई सुरक्षात्मक रसायनों के निर्माण खंड बनाने के लिए करते हैं। इस मार्ग में एक महत्वपूर्ण मोड़ पर एक अद्वितीय एंजाइम स्थित है जो दोहरा काम करता है: यह शिकिमिक एसिड बनाने में मदद करता है, जो कई पौधों के आवश्यक तत्वों का एक अग्रदूत (precursor) है, और यह प्रक्रिया को गैलिक एसिड बनाने की दिशा में भी मोड़ देता है। गैलिक एसिड एक शक्तिशाली फेनोलिक यौगिक है जो कई फलों और जड़ी-बूटियों में पाया जाता है, जो अपने एंटीऑक्सीडेंट गुणों और एलाजिक एसिड (एक अन्य लाभकारी यौगिक) के प्रत्यक्ष अग्रदूत के रूप में अपनी भूमिका के लिए जाना जाता है। यह समझना कि पौधे इस विशिष्ट एंजाइम को कैसे नियंत्रित करते हैं, यह समझने की कुंजी है कि वे इन मूल्यवान रसायनों के उत्पादन को कैसे विनियमित करते हैं, जो अक्सर पौधे के पोषण और औषधीय मूल्य को निर्धारित करते हैं।

शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान रुबस चिंगी (Rubus chingii) की ओर लगाया, जो चीन का एक पर्वतारोही झाड़ है जिसे फल और पारंपरिक औषधि दोनों के रूप में बेशकीमती माना जाता है। इस पौधे के कच्चे फलों का उपयोग विभिन्न रोगों के उपचार के लिए किया जाता है, जबकि पके फलों को एक स्वादिष्ट व्यंजन के रूप में खाया जाता है। यह पौधा विशेष रूप से गैलिक एसिड और एलाजिक एसिड से समृद्ध है, लेकिन वैज्ञानिक पूरी तरह से नहीं समझ पाए थे कि पौधे के जीन इन यौगिकों के उत्पादन को कैसे नियंत्रित करते हैं। इस पहेली को सुलझाने के लिए, झेजियांग साइंस एंड टेक यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों की एक टीम ने उस विशिष्ट एंजाइम के लिए जिम्मेदार जीनों का मानचित्र तैयार करने के लिए एक व्यापक अध्ययन किया जो शिकिमिक एसिड और गैलिक एसिड के बीच के अंतर को पाटता है। वे जानना चाहते थे कि पौधे के पास इन जीनों में से कितने हैं, वे कहाँ स्थित हैं, उनकी संरचना कैसी है, और पौधे के जीवन चक्र के दौरान वे कब चालू या बंद होते हैं।

टीम ने इस विशिष्ट एंजाइम को कोड करने वाले जीन खोजने के लिए पूरे रुबस चिंगी के जीनोम को स्कैन करके शुरुआत की। उन्होंने ठीक चार जीन पहचाने, जिन्हें उन्होंने RcDHD/SDH1 से लेकर RcDHD/SDH4 नाम दिया। ये जीन बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए नहीं हैं; ये पौधे के केवल दो गुणसूत्रों (chromosomes) में समान रूप से वितरित हैं। शोधकर्ताओं ने इन जीनों द्वारा बनाए गए प्रोटीनों के भौतिक गुणों की जांच की। उन्होंने पाया कि प्रोटीन आकार में भिन्न होते हैं, जिनमें से कुछ काफी बड़े हैं, जिनमें 1,300 से अधिक अमीनो एसिड शामिल हैं, जबकि अन्य छोटे हैं। इन आकार के अंतरों के बावजूद, सभी चार प्रोटीन एक सामान्य संरचनात्मक कोर साझा करते हैं जो उन्हें एंजाइम के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है। अध्ययन ने भविष्यवाणी की कि ये प्रोटीन मुख्य रूप से पौधे की कोशिकाओं के केंद्रक (nucleus) और कोशिका द्रव्य (cytoplasm) के भीतर कार्य करते हैं, जो कोशिका की गतिविधियों के दो मुख्य भाग हैं।

इन जीनों के विकास को समझने के लिए, वैज्ञानिकों ने चावल और मक्का से लेकर सोयाबीन और अंगूर तक अन्य पौधों में पाए जाने वाले समान जीनों के साथ उनकी तुलना की। विश्लेषण से पता चला कि रुबस चिंगी में मौजूद चार जीन एक विशिष्ट परिवार समूह से संबंधित हैं जो सोयाबीन जैसे अन्य चौड़ी पत्ती वाले पौधों, या डिकॉट्स (dicots) के साथ साझा किया जाता है। वे चावल या मक्का जैसी घास में पाए जाने वाले जीनों के साथ क्लस्टर (समूह) नहीं बना पाए, जिससे पता चलता है कि इस समूह के जीनों ने चौड़ी पत्ती वाले पौधों में एक अलग विकासवादी पथ का अनुसरण किया है। शोधकर्ताओं ने स्वयं जीनों की संरचना का भी अवलोकन किया, यह देखते हुए कि उनमें नौ से चौदह खंड होते हैं, जिन्हें एक्सॉन (exons) कहा जाता है, जो जीन के वे भाग हैं जो प्रोटीन बनाने के निर्देशों को ले जाते हैं। यह संरचनात्मक भिन्नता बताती है कि हालांकि जीन संबंधित हैं, वे पर्याप्त रूप से अलग हो गए हैं ताकि संभावित रूप से थोड़े अलग कार्य कर सकें।

इस जांच का एक महत्वपूर्ण हिस्सा इन जीनों के पास स्थित "स्विचों" को देखना था। ये स्विच, जिन्हें सिस-एक्टिंग तत्व (cis-acting elements) कहा जाता है, डीएनए के वे अनुक्रम हैं जो जीन को बताते हैं कि कब चालू होना है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन चार जीनों के स्विच प्रकाश, तापमान और विभिन्न पादप हार्मोन के प्रति संवेदनशील हैं। इसका मतलब है कि एंजाइम का उत्पादन पर्यावरण, जैसे कि सूरज की रोशनी में बदलाव या तनाव की उपस्थिति से प्रभावित होने की संभावना है। विशेष रूप से, जीन में मिथाइल जैस्मोनेट (methyl jasate) के प्रति प्रतिक्रिया देने वाले स्विच दिखाई देते हैं, जो रक्षा में शामिल एक हार्मोन है, साथ ही ऑक्सिन (auxin) और एब्सिसिक एसिड (abscisic acid) के प्रति भी, जो विकास और तनाव प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित करते हैं।

टीम ने कंप्यूटर से ग्रीनहाउस की ओर रुख किया ताकि यह देख सके कि ये जीन एक जीवित पौधे में कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने पौधे के विभिन्न हिस्सों में जीन की गतिविधि को मापा, जिसमें जड़ें, तने, पत्तियां, फूल और पकने के विभिन्न चरणों में फल शामिल थे। उन्होंने पाया कि जीन हर जगह सक्रिय हैं, लेकिन उनकी तीव्रता भिन्न होती है। एक जीन, RcDHD/SDH4, विशेष रूप से तनों और पत्तियों में सक्रिय था, जबकि अन्य जड़ों में अधिक सुसंगत गतिविधि दिखाते थे। जब उन्होंने फल के विकास के दौरान जीनों को ट्रैक किया, तो एक स्पष्ट पैटर्न सामने आया। जब फल छोटा और हरा था, तब जीन सबसे अधिक सक्रिय थे। जैसे-जैसे फल बड़ा हुआ और रंग बदलने लगा, इन जीनों की गतिविधि काफी कम हो गई।

जीन गतिविधि में यह गिरावट यादृच्छिक नहीं थी; यह उन रसायनों के स्तर के साथ पूरी तरह मेल खाती थी जिन्हें जीन बनाने में मदद करते हैं। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक चरण में फल में गैलिक एसिड और एलाजिक एसिड की मात्रा को मापा। उन्होंने पाया कि जब फल छोटा और हरा होता है, तो ये यौगिक तेजी से जमा होते हैं, और फल के लाल होने से पहले अपने चरम स्तर पर पहुँच जाते हैं। जैसे-जैसे फल परिपक्व हुआ और जीन गतिविधि में गिरावट आई, इन रसायनों का स्तर भी स्थिर हो गया या कम हो गया। यह गहरा सहसंबंध बताता है कि जीन फल के विकास के शुरुआती चरणों में सबसे महत्वपूर्ण हैं, जो फल के सबसे संवेदनशील समय के दौरान इन सुरक्षात्मक यौगिकों के उत्पादन को संचालित करते हैं।

यह पुष्टि करने के लिए कि ये जीन वास्तव में पौधे के आंतरिक संकेतों के प्रति प्रतिक्रियाशील हैं, शोधकर्ताओं ने पत्तियों को विभिन्न हार्मोनों से उपचारित किया। जब उन्होंने मिथाइल जैस्मोनेट लगाया, तो जीन की गतिविधि बढ़ गई, जिसमें कुछ की गतिविधि पांच गुना से अधिक बढ़ गई। इसने पुष्टि की कि पौधा इन जीनों का उपयोग अपनी रक्षा प्रणाली के हिस्से के रूप में करता है, जब वह खतरे का अनुभव करता है तो उत्पादन बढ़ा देता है। इसी तरह, जीन ऑक्सिन और एब्सिसिक एसिड के प्रति प्रतिक्रिया दे रहे थे, हालांकि अलग-अलग तरीकों से, जिसमें एक जीन ने ऑक्सिन के संपर्क में आने पर तैंतीस गुना (thirty-two-fold) की भारी वृद्धि दिखाई। ये परिणाम संकेत देते हैं कि पौधे के पास इन जीनों को विनियमित करने के लिए एक परिष्कृत प्रणाली है, जो यह तय करती है कि उसे बढ़ने, रक्षा करने या तनाव का प्रबंधन करने की आवश्यकता है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि रुबस चिंगी में पहचाने गए चार जीन उस एंजाइम के प्राथमिक नियंत्रक हैं जो शिकिमिक एसिड को गैलिक एसिड से जोड़ता है। उनकी गतिविधि फल के विकास के शुरुआती चरणों में और पत्तियों में उच्चतम होती है, जो उस अवधि के अनुरूप है जब पौधे को गैलिक एसिड और एलाजिक एसिड के उच्च स्तर के उत्पादन की आवश्यकता होती है। यह शोध एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है कि ये जीन कैसे संरचित हैं, वे कहाँ स्थित हैं, और वे पर्यावरण के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। इस आनुवंशिक मशीनरी को समझकर, वैज्ञानिक बेहतर ढंग से समझ सकते हैं कि यह पौधा अपने औषधीय यौगिकों का उत्पादन कैसे करता है और भविष्य में इस ज्ञान का उपयोग फल की गुणवत्ता में सुधार करने या मानव उपयोग के लिए इन मूल्यवान रसायनों के उत्पादन को बढ़ाने के लिए कर सकते हैं। यह कार्य एक आधार तैयार करता है जिसका उपयोग भविष्य के अध्ययन में किया जा सकता है जो पौधे की प्राकृतिक रक्षा प्रणाली को बढ़ाने या इसके लाभकारी यौगिकों की उपज बढ़ाने के लिए इन जीनों में हेरफेर करने की खोज कर सकें।