Heterologous overexpression of OsSalT enhances drought tolerance by regulating antioxidant enzyme activity and flavonoid biosynthesis in tomato

पौधे एक ही स्थान पर जड़ जमाए रहते हैं, वे सूरज की गर्मी या सूखती हवा से भागने में असमर्थ होते हैं। जब पानी की कमी होती है, तो वे अपने सेल्स (कोशिकाओं) के भीतर एक शांत संकट का सामना करते हैं। पर्याप्त नमी के बिना, उनकी आंतरिक रसायनिकी बिगड़ जाती है, जिससे अस्थिर, प्रतिक्रियाशील अणु उत्पन्न होते हैं जो कोशिका को थामे रखने वाली नाजुक झिल्लियों को फाड़ सकते हैं। जीवित रहने के लिए, पौधों ने रक्षा के एक टूलकिट को विकसित किया है, जिसमें विशेष प्रोटीन शामिल हैं जो सेंसर और संदेशवाहक के रूप में कार्य करते हैं, और रासायनिक यौगिकों का एक समूह है जो ढाल के रूप में कार्य करता है। इन यौगिकों में फ्लेवोनोइड्स शामिल हैं, जो प्राकृतिक पिगमेंट और एंटीऑक्सीडेंट का एक समूह है जो पौधों को हानिकारक प्रतिक्रियाशील अणुओं को बेअसर करने और उनकी संरचनात्मक अखंडता बनाए रखने में मदद करते हैं। इन आंतरिक प्रणालियों के काम करने के तरीके को समझना कृषि के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि सूखा वैश्विक खाद्य उत्पादन के लिए सबसे गंभीर खतरों में से एक बना हुआ है, जो टमाटर जैसी महत्वपूर्ण फसलों की पूरी फसल को नष्ट करने में सक्षम है।

एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए प्रयास किया कि क्या वे किसी अन्य प्रजाति से एक जीन उधार लेकर टमाटर के पौधे की प्राकृतिक रक्षा प्रणाली को बढ़ा सकते हैं। उन्होंने एक विशिष्ट जीन पर ध्यान केंद्रित किया जिसे OsSalT कहा जाता है, जिसे मूल रूप से चावल में खोजा गया था। चावल में, यह जीन पौधे को नमकीन मिट्टी और शुष्क परिस्थितियों से निपटने में मदद करता है। वैज्ञानिकों ने सोचा कि क्या यही जीन टमाटर के पौधे में भी कार्य कर सकता है, जो पौधों के बिल्कुल अलग परिवार से संबंधित है। इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने टमाटर के पौधों का एक समूह बनाया जिन्हें आनुवंशिक रूप से संशोधित किया गया था ताकि वे चावल के OsSalT जीन को धारण कर सकें और लगातार इसका उत्पादन कर सकें। फिर उन्होंने अपने संशोधित पौधों की तुलना साधारण, बिना संशोधित टमाटर के पौधों से की, और दोनों समूहों को पानी की भारी कमी की अवधि के अधीन रखा ताकि देखा जा सके कि वे कैसा प्रदर्शन करते हैं।

परिणाम स्पष्ट और तत्काल थे। जब दस दिनों तक पानी बंद कर दिया गया, तो साधारण टमाटर के पौधे मुरझाने लगे और अपना हरा रंग खोने लगे, जो गंभीर तनाव के लक्षण थे। हालांकि, संशोधित पौधों ने बेहतर स्थिति बनाए रखी। उन्होंने अधिक हरा पिगमेंट बनाए रखा, जो सूर्य के प्रकाश से भोजन बनाने के लिए आवश्यक है, और पत्तियों से पानी के नुकसान की दर भी काफी धीमी रही। जब शोधकर्ताओं ने सूखे के बाद पौधों के भौतिक वजन को मापा, तो संशोधित पौधे काफी भारी निकले, जो यह दर्शाता है कि उन्होंने साधारण पौधों के सिकुड़ जाने के जबकि खुद के विकास और संरचना को बनाए रखा। इससे पता चला कि उधार लिया गया जीन टमाटर के पौधों को सूखे के दौर में जीवित रहने में मदद करने के लिए कुछ शक्तिशाली कार्य कर रहा था।

इन पौधों की जीव विज्ञान में गहराई से उतरते हुए, टीम ने देखा कि कोशिकाओं के भीतर क्या हो रहा था। सूखे का तनाव आमतौर पर 'रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज' (reactive oxygen species) का संचय करता है, जो छोटे, संक्षारक स्पार्क्स (चिंगारियों) की तरह होते हैं जो कोशिका की दीवारों और झिल्लियों को नुकसान पहुँचाते हैं। साधारण पौधों में, ये स्पार्क्स जमा हो गए, जिससे कोशिका झिल्लियाँ लीक होने लगीं और टूट गईं। हालांकि, संशोधित पौधों में, क्षति बहुत कम गंभीर थी। कोशिकाएं अपना आकार बेहतर बनाए रखने में सक्षम रहीं, और आंतरिक तरल पदार्थों का रिसाव काफी कम हो गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि संशोधित पौधों ने अपने स्वयं के प्राकृतिक एंटीऑक्सीडेंट एंजाइमों की गतिविधि को बढ़ा दिया था। ये एंजाइम एक सफाई दल (cleanup crew) के रूप में कार्य करते हैं, जो विनाशकारी होने से पहले हानिकारक स्पार्क्स को बेअसर कर देते हैं। इस सफाई दल को बढ़ाकर, OsSalT जीन ने टमाटर के पौधों को पानी की कमी के दौरान भी उनके आंतरिक वातावरण को स्थिर रखने में मदद की।

यह समझने के लिए कि जीन वास्तव में यह कैसे प्राप्त कर रहा था, शोधकर्ताओं ने पौधों की आनुवंशिक गतिविधि का गहन विश्लेषण किया, यह देखते हुए कि सूखे के दौरान कौन से जीन चालू या बंद हो रहे थे। उन्होंने पाया कि संशोधित पौधों ने साधारण पौधों की तुलना में 1,300 से अधिक जीनों की अभिव्यक्ति (expression) को बदल दिया था। एक प्रमुख पैटर्न उभर कर आया: संशोधित पौधे फ्लेवोनॉइड्स बनाने के लिए जिम्मेदार मार्ग (pathway) को सक्रिय रूप से सक्रिय कर रहे थे। ये वही सुरक्षात्मक यौगिक हैं जिनका उल्लेख पहले किया गया था। अध्ययन ने दिखाया कि संशोधित पौधे साधारण पौधों की तुलना में काफी अधिक फ्लेवोनॉइड्स का उत्पादन कर रहे थे, चाहे उनके पास पर्याप्त पानी हो या वे सूखे की स्थिति में हों। वे जीन जो इन यौगिकों के लिए असेंबली लाइन के रूप में कार्य करते हैं, संशोधित पौधों में बहुत अधिक मेहनत कर रहे थे, जिससे इन सुरक्षात्मक रसायनों की उच्च सांद्रता प्राप्त हुई।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि संशोधित पौधे जैस्मोनिक एसिड नामक पादप हार्मोन के उत्पादन से संबंधित जीनों के एक अलग सेट को दबा (suppress) रहे थे। हालांकि यह हार्मोन कुछ कीटों और बीमारियों से लड़ने के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन इसका उत्पादन कभी-कभी विकास या अन्य तनाव प्रतिक्रियाओं में हस्तक्षेप कर सकता है। इस मार्ग को धीमा करके, संशोधित पौधे अपनी ऊर्जा और संसाधनों को फ्लेवोनॉइड ढाल बनाने और अपने एंटीऑक्सीडेंट बचाव को बनाए रखने की ओर पुनर्निर्देशित करने में सक्षम रहे होंगे। इस संतुलन ने पौधों को महत्वपूर्ण सूखे की अवधि के दौरान अन्य कार्यों के बजाय उत्तरजीविता (survival) को प्राथमिकता देने की अनुमति दी।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि चावल का OsSalT जीन टमाटर के पौधों में एक शक्तिशाली नियामक के रूप में कार्य करता है, जो उनके एंटीऑक्सीडेंट सिस्टम को मजबूत करके और सुरक्षात्मक फ्लेवोनॉइड्स के उत्पादन को बढ़ाकर उन्हें सूखे का सामना करने में मदद करता है। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रदर्शित करती है कि एक प्रकार के पौधे का जीन दूसरे, असंबंधित पौधे की जटिल जीव विज्ञान में सफलतापूर्वक एकीकृत हो सकता है और वास्तविक लाभ प्रदान कर सकता है। यह सुझाव देता है कि वैज्ञानिक जलवायु परिवर्तन के कारण सूखे की बढ़ती आवृत्ति के प्रति अधिक लचीले फसल किस्मों को विकसित करने के लिए इसी तरह की रणनीतियों का उपयोग कर सकते हैं। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने सभी कृषि के लिए सूखे की समस्या को हल कर दिया है, बल्कि यह एक स्पष्ट, यांत्रिक उदाहरण प्रदान करता है कि कैसे एक एकल आनुवंशिक परिवर्तन कठोर परिस्थितियों में जीवित रहने की संभावना में सुधार करने के लिए पौधे के शरीर विज्ञान (physiology) को बदल सकता है।