Whole genome identification and analysis of cotton(Gossypium hirsutum L.) pyruvate kinase gene family and functional analysis of GhPK5 gene

पौधे ऊर्जा के एक नाजुक हिसाब-किताब को लगातार संतुलित करते रहते हैं। बढ़ने के लिए, प्रजनन करने के लिए, और सूखे या नमकीन दिन की कठोरता से बचने के लिए, उन्हें उपयोगी शक्ति में शर्करा (शुगर) को तोड़ना पड़ता है। इस प्रक्रिया में एक सबसे महत्वपूर्ण चरण वह रासायनिक प्रतिक्रिया है जो एक शर्करा मध्यवर्ती (इंटरमीडिएट) को पाइरुवेट में बदल देती है, जो कोशिका के इंजनों को ईंधन देने वाला एक अणु है। इस विशिष्ट चरण को संचालित करने वाला एंजाइम 'पाइरुवेट काइनेज' कहलाता है। यह एक द्वारपाल की तरह कार्य करता है, जो ऊर्जा के प्रवाह को नियंत्रित करता है। जबकि वैज्ञानिकों ने दशकों तक चावल और मस्टर्ड वीड जैसे मॉडल पौधों में इस एंजाइम का अध्ययन किया है, कॉटन (कपास) का पौधा इस संबंध में थोड़ा रहस्य बना हुआ है। कपास एक वैश्विक आर्थिक शक्ति है, जो दुनिया के अधिकांश कपड़ों के लिए फाइबर प्रदान करती है, फिर भी नमक और सूखे का सामना करने की इसकी क्षमता, जो अक्सर इसके खेतों में समस्या पैदा करती है, किसानों के लिए एक बड़ी बाधा है। दबाव के तहत कपास अपनी ऊर्जा का प्रबंधन कैसे करता है, इसे समझना अधिक मजबूत, अधिक लचीली फसलें उगाने की कुंजी हो सकता है।

झेजियांग साइंस एंड टेक्नोलॉजी यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अपलैंड कॉटन, जो इस फसल की सबसे व्यापक रूप से उगाई जाने वाली किस्म है, में पाइरुवेट काइनेज जीन के पूरे परिवार का मानचित्र तैयार करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने कपास के जीनोम (जेनेटिक निर्देशों का पूरा सेट) को स्कैन करना शुरू किया ताकि इस महत्वपूर्ण एंजाइम को कोड करने वाले प्रत्येक जीन को खोजा जा सके। उन्होंने चालीस-एक विशिष्ट जीन खोजे, जो अन्य पौधों की तुलना में आश्चर्यजनक रूप से बड़ी संख्या है। इन जीनों के जेनेटिक अनुक्रमों की तुलना चावल और एराबिडोप्सिस (Arabidopsis) के अनुक्रमों से करके, शोधकर्ताओं ने उन्हें दो मुख्य समूहों में वर्गीकृत किया: एक समूह जो कोशिका के तरल आंतरिक भाग में काम करता है और दूसरा जो पौधे के क्लोरोप्लास्ट के अंदर काम करता है, जो प्रकाश संश्लेषण (फोटोसिंथेसिस) के सौर-संचालित कारखाने हैं। टीम ने फिर यह पता लगाया कि ये जीन कपास के गुणसूत्रों (क्रोमोसोम) पर कहाँ स्थित हैं। उन्होंने पाया कि जीन उन्नीस अलग-अलग गुणसूत्रों पर बिखरे हुए थे, जिनमें से कुछ क्षेत्र कई प्रतियों के साथ घने थे जबकि अन्य खाली थे। इस पैटर्न ने सुझाव दिया कि यह परिवार मुख्य रूप से उस प्रक्रिया के माध्यम से विकसित हुआ जहाँ जीनोम के बड़े हिस्सों को कॉपी और पेस्ट किया गया था, न कि छोटी, यादृच्छिक उत्परिवर्तनों (म्यूटेशन) के माध्यम से।

शोधकर्ताओं ने इन जीनों की आंतरिक संरचना का भी अवलोकन किया, यह जांचा कि उनके कोडिंग खंड कैसे व्यवस्थित थे और उनमें कौन से विशिष्ट प्रोटीन निर्माण खंड शामिल थे। उन्होंने पाया कि एक ही समूह के भीतर के जीन बहुत समान संरचना साझा करते हैं, जो यह सुझाव देता है कि वे संबंधित कार्यों को निष्पादित करते हैं। यह समझने के लिए कि ये जीन कब चालू या बंद होते हैं, टीम ने जीन शुरू होने से ठीक पहले के डीएनए अनुक्रमों की जांच की, ताकि नियामक स्विच (रेगुलेटरी स्विच) खोजे जा सकें। उन्हें इन स्विचों का एक समृद्ध संग्रह मिला, जिनमें से कई ठंडे, सूखे और नमक जैसे पर्यावरणीय तनावों के साथ-साथ पौधों के हार्मोन के प्रति प्रतिक्रिया करने के लिए जाने जाते हैं। यह इंगित करता है कि कपास के पौधे में मौसम खराब होने पर अपनी ऊर्जा उत्पादन को समायोजित करने के लिए एक परिष्कृत प्रणाली है।

यह देखने के लिए कि ये जीन वास्तव में एक जीवित पौधे में कैसे व्यवहार करते हैं, वैज्ञानिकों ने पौधे के विभिन्न हिस्सों, जैसे जड़ों से लेकर फूलों तक, के डेटा का विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि जबकि कुछ जीन केवल विशिष्ट ऊतकों (टिश्यू) में सक्रिय थे, एक विशेष जीन, जिसका नाम GhPK5 था, एक उत्कृष्ट प्रदर्शन करने वाला पाया गया। यह पौधे के लगभग हर हिस्से में उच्च स्तर पर सक्रिय था, मिट्टी में गहरी जड़ों से लेकर तनों और पत्तियों तक। जब शोधकर्ताओं ने पौधों को नमक के तनाव, सूखे, गर्मी और ठंड के संपर्क में लाया, तो GhPK-5 ने, विशेष रूप से नमक और सूखे की स्थितियों में, गतिविधि में एक मजबूत और निरंतर वृद्धि के साथ प्रतिक्रिया दी। इस पैटर्न ने सुझाव दिया कि GhPK5 केवल एक पृष्ठभूमि कार्यकर्ता नहीं था, बल्कि कठोर वातावरण के खिलाफ पौधे की रक्षा में एक केंद्रीय खिलाड़ी था।

इस भूमिका की पुष्टि करने के लिए, टीम ने एक तकनीक का उपयोग करके सीधा परीक्षण किया जो जीन को अस्थायी रूप से शांत (साइलेंस) कर देती है, प्रभावी रूप से उसे बंद कर देती है ताकि देखा जा सके कि क्या होता है। उन्होंने ऐसे कपास के पौधे बनाए जहाँ GhPK5 को शांत कर दिया गया था और फिर उन्हें नमकीन पानी के संपर्क में लाया। परिणाम स्पष्ट थे: GhPK5 के बिना, पौधों को काफी अधिक नुकसान हुआ। उनकी कोशिकाओं में हानिकारक उपोत्पादों (बायप्रोडक्ट्स) का उच्च स्तर जमा हो गया जो ऑक्सीडेटिव स्ट्रेस का संकेत देते हैं, और पाइरुवेट, जो एक आवश्यक ईंधन अणु है, बनाने की उनकी क्षमता बाधित हो गई। इसके विपरीत, सक्रिय जीन वाले सामान्य पौधे अपने ऊर्जा स्तर को बनाए रखने और अपनी कोशिकाओं को नुकसान से बचाने में सक्षम थे। इस प्रयोग ने सिद्ध कर दिया कि GhPK5 एक सकारात्मक नियामक के रूप में कार्य करता है, जो पौधे को नमक के प्रभाव से लड़ने में मदद करता है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि कपास पाइरुवेट काइनेज परिवार विविध और जटिल है, जिसमें चालीस-एक सदस्य पौधे की ऊर्जा को प्रबंधित करने के लिए मिलकर काम करते हैं। उनमें से, नमक के तनाव से बचने के लिए GhPK5 एक महत्वपूर्ण घटक के रूप में उभरता है। ऊर्जा के प्रवाह को स्थिर रखकर और कोशिका को नुकसान से बचाकर, यह जीन पौधे को उन स्थितियों में बने रहने में मदद करता है जो अन्यथा घातक हो सकती हैं। ये निष्कर्ष एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करते हैं कि कपास दबाव में अपने आंतरिक रसायन विज्ञान को कैसे प्रबंधित करता है और GhPK5 को ब्रीडिंग प्रोग्रामों के लिए एक आशाजनक लक्ष्य के रूप में रेखांकित करते हैं। यदि वैज्ञानिक इस जीन की गतिविधि को बढ़ा सकते हैं, तो वे ऐसी कपास की किस्में विकसित करने में सक्षम हो सकते हैं जो लवणीय मिट्टी में फल-फूल सकें, जिससे बढ़ते चुनौतीपूर्ण जलवायु में फसल की सुरक्षा सुनिश्चित हो सके।