In silico identification and structural characterization of ClAPRR2 and ClPSY1 as independent genetic targets for a white-rinded, orange-fleshed watermelon (Citrullus lanatus) accessible to colour-vision-deficient consumers

अधिकांश लोग तरबूज को उसके परिचित विरोधाभास से पहचानते हैं: एक गहरे हरे, धारीदार छिलके द्वारा संरक्षित चमकीला लाल आंतरिक भाग। यह दृश्य संकेत एक साथ होने वाली दो अलग-अलग जैविक प्रक्रियाओं का परिणाम है। बाहरी त्वचा में, पौधा क्लोरोफिल का उत्पादन करता है, जो वह हरा वर्णक है जो पत्तियों और तनों को सूर्य के प्रकाश को पकड़ने में सक्षम बनाता है। फल के अंदर, एक अलग मार्ग लाइकोपीन बनाता है, जो कैरोटीनॉयड नामक यौगिकों के परिवार से संबंधित एक लाल वर्णक है। अधिकांश लोगों के लिए, यह हरा-और-लाल संयोजन आकर्षक और आसानी से पहचानने योग्य होता है। हालाँकि, दुनिया भर के उन लाखों लोगों के लिए जिन्हें रेड-ग्रीन कलर विजन डेफिशिएंसी (लाल-हरे रंग की दृष्टि दोष) है, ये दोनों रंग अक्सर एक समान, मटमैले भूरे या धूसर रंग में मिल जाते हैं, जिससे केवल देखकर एक पके, मीठे तरबूज को अपरिपक्व तरबूज से अलग करना कठिन हो जाता है।

इस समस्या का समाधान फल के स्वाद या बनावट को बदलने में नहीं, बल्कि इसके रंगों को बदलकर एक उच्च-कंट्रास्ट लुक बनाने में निहित है जो रंग (hue) के बजाय चमक (brightness) पर निर्भर करता है। एक ऐसे तरबूज की कल्पना करें जिसका छिलका पीला या लगभग सफेद हो और गूदा गहरा नारंगी हो। सफेद छिलके में हरा क्लोरोफिल नहीं होगा, जबकि नारंगी गूदा बीटा-कैरोटीन नामक एक अलग कैरोटीनॉयड से समृद्ध होगा। सफेद और नारंगी का यह संयोजन चमक का एक स्पष्ट अंतर प्रदान करता है जो सभी के लिए आसानी से दृश्यमान है, चाहे उनकी आँखें रंग को कैसे भी देखती हों। इस विशिष्ट रूप को प्राप्त करने के लिए सटीक जेनेटिक इंजीनियरिंग की आवश्यकता होती है, जिसमें हरे छिलके और लाल गूदे के उत्पादन को नियंत्रित करने वाले सटीक जीन को लक्षित किया जाता है, और उन्हें उन संस्करणों के साथ बदल दिया जाता है जो सफेद छिलके और नारंगी गूदे का उत्पादन करते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह समझने के लिए विशिष्ट जेनेटिक स्विच की पहचान करने के काम में जुट गई कि यह नया प्रकार का तरबूज कैसे संभव हो सकता है। उन्होंने दो जीनों पर ध्यान केंद्रित किया जो तरबूज के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं: एक जो छिलके के रंग को नियंत्रित करता है और दूसरा जो गूदे के रंग को नियंत्रित करता है। ClAPRR2 नामक पहला जीन, जो छिलके के हरे वर्णक के लिए एक मास्टर रेगुलेटर के रूप में कार्य करता है। जब यह जीन सामान्य रूप से कार्य करता है, तो यह क्लोरोफिल बनाने वाली मशीनरी को सक्रिय कर देता है, जिससे हरा छिलका प्राप्त होता है। यदि यह जीन टूट जाता है या बंद हो जाता है, तो क्लोरोफिल का उत्पादन रुक जाता है, जिससे छिलका सफेद या बहुत हल्का रह जाता है। दूसरा जीन, ClPSY1, एक एंजाइम है जो फल के अंदर कैरोटीनॉयड के उत्पादन को शुरू करता है। जबकि इस जीन का मानक संस्करण अधिकांश तरबूजों में पाए जाने वाले लाल लाइकोपीन को बनाने में मदद करता है, इसका एक विशिष्ट संस्करण संतुलन को नारंगी बीटा-कैरोटीन के उत्पादन की ओर स्थानांतरित कर सकता है।

इन जीनों के आणविक स्तर पर कार्य करने के तरीके को देखने के लिए, शोधकर्ताओं ने इन प्रोटीनों द्वारा बनाए गए तीन-आयामी मॉडल बनाने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर टूल का उपयोग किया। चूंकि प्रयोगशाला में प्रत्येक प्रोटीन के आकार को भौतिक रूप से निर्धारित करना कठिन और समय लेने वाला होता है, इसलिए वैज्ञानिक अक्सर 'होमोलॉजी मॉडलिंग' (homology modeling) नामक विधि का उपयोग करते हैं। इस प्रक्रिया में एक ऐसा प्रोटीन खोजना शामिल है जिसका ज्ञात आकार अध्ययन किए जा रहे प्रोटीन के समान हो और उसका उपयोग अज्ञात प्रोटीन की संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए एक टेम्प्लेट के रूप में करना शामिल है। टीम ने सार्वजनिक डेटाबेस से तरबूज के प्रोटीन के जेनेटिक ब्लूप्रिंट प्राप्त किए और उन्हें एक परिष्कृत मॉडलिंग सर्वर में डाला। छिलके को नियंत्रित करने वाले प्रोटीन के लिए, उन्होंने एक निकट संबंधी स्क्वैश (squash) पौधे से एक टेम्प्लेट का उपयोग किया। गूदे के रंग वाले एंजाइम के लिए, उन्होंने एक बैक्टीरिया से टेम्प्लेट लिया जो एक समान रासायनिक कार्य करता है।

परिणामी कंप्यूटर मॉडल ने प्रभावशाली स्पष्टता के साथ इन प्रोटीनों की आंतरिक कार्यप्रणाली को प्रकट किया। छिलके वाले प्रोटीन के मॉडल ने जेनेटिक स्विच की विशिष्ट दो-भाग वाली संरचना को दिखाया। प्रोटीन का एक सिरा एक रिसीवर के रूप में कार्य करता है, जो सक्रिय करने के लिए संकेत का इंतजार करता है, जबकि दूसरा सिरा डीएनए से जुड़ने और क्लोरोफिल बनाने वाले जीनों को चालू करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह संरचना इस परिकल्पना का समर्थन करती है कि जीन का एक टूटा हुआ संस्करण सफेद छिलके की ओर ले जाता है: कार्यात्मक स्विच के बिना, हरे वर्णक के लिए निर्देश कभी भेजे ही नहीं जाते। गूदे वाले एंजाइम के मॉडल ने एक केंद्रीय पॉकेट दिखाई जहाँ रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने पाया कि नारंगी गूदे के लिए जिम्मेदार विशिष्ट जेनेटिक भिन्नता इस सक्रिय पॉकेट के ठीक बगल में स्थित है। यह स्थिति बताती है कि भिन्नता इस बात को बदल देती है कि एंजाइम अपने कच्चे माल को कैसे पकड़ता है, जिससे लाल लाइकोकोपीन से नारंगी बीटा-कैरोटीन में रासायनिक आउटपुट सूक्ष्म रूप से बदल जाता है।

शायद इस अध्ययन की सबसे महत्वपूर्ण खोज यह थी कि ये दोनों जीन स्वतंत्र रूप से कार्य करते प्रतीत होते हैं। वे अलग-अलग गुणसूत्रों (chromosomes) पर स्थित हैं, जिसका अर्थ है कि प्रजनन के दौरान उन्हें अलग-अलग रूप से मिलाया जाता है और वे एक-दूसरे के काम में हस्तक्षेप नहीं करते हैं। इसके अलावा, वे फल के विभिन्न हिस्सों में कार्य करते हैं: एक त्वचा में काम करता है, और दूसरा गूदे में। क्योंकि वे अलग और विशिष्ट हैं, इसलिए एक ही पौधे में छिलके के टूटे हुए जीन और नारंगी-गूदे वाले एंजाइम जीन के संस्करण को मिलाना सैद्धांतिक रूप से संभव है। यह संयोजन एक ऐसे तरबूज का परिणाम होगा जिसमें सफेद छिलका और नारंगी गूदा होगा, एक ऐसा प्रकार जो रंग दृष्टि दोष वाले लोगों के लिए दृश्य रूप से सुलभ होगा।

शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि हालांकि उनके कंप्यूटर मॉडल एक मजबूत संरचनात्मक परिकल्पना प्रदान करते हैं, लेकिन वे अभी भी भविष्यवाणियां हैं जिन्हें वास्तविक दुनिया के परीक्षण की आवश्यकता है। मॉडल अन्य प्रजातियों के टेम्प्लेट के आधार पर बनाए गए थे, इसलिए वास्तविक तरबूज के पौधे में सटीक आकार थोड़ा भिन्न हो सकता है। इसके अतिरिक्त, फल के रंग का जेनेटिक नियंत्रण जटिल है, और अन्य जीन अंतिम नारंगी रंग को प्रभावित कर सकते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, अध्ययन नोट करता है कि मौजूदा साहित्य में इन जीनों के बीच क्रॉस-टॉक के साक्ष्य की अनुपस्थिति, उनकी स्वतंत्रता के प्रयोगात्मक प्रमाण के समान नहीं है। हालाँकि, अध्ययन ने एक स्पष्ट मार्ग सफलतापूर्वक तैयार किया है। यह प्रस्तावित करके कि ये दो लक्ष्य संरचनात्मक रूप से सुदृढ़ और कार्यात्मक रूप से स्वतंत्र हैं, शोधकर्ताओं ने ब्रीडर्स (breeders) के लिए एक ठोस ब्लूप्रिंट प्रदान किया है। वे अब मार्कर-असिस्टेड सिलेक्शन या जीन एडिटिंग के माध्यम से नए तरबूज की किस्में विकसित करने के लिए इस ज्ञान का उपयोग कर सकते हैं, जिससे एक ऐसा फल बनाया जा सके जो न केवल स्वादिष्ट हो, बल्कि सभी उपभोक्ताओं के लिए समावेशी भी हो, बशर्ते कि आगे के प्रयोगात्मक पुष्टिकरण की आवश्यकता हो।