Spatial localization of conserved developmental regulators during apogamic sporophyte initiation in the fern Dryopteris affinis

फर्न प्राचीन पौधे हैं जो इस तरह से प्रजनन करते हैं जो दो अलग-अलग जीवन के बीच एक गुप्त हाथ मिलाने (सीक्रेट हैंडशेक) जैसा महसूस होता है। पेड़ों या फूलों के विपरीत, जो एक एकल पौधे के रूप में बढ़ते हैं जो बीज बनाते हैं, फर्न अपना कुछ हिस्सा एक छोटे, स्वतंत्र हरे कालीन के रूप में बिताते हैं जिसे गैमेटोफाइट (gametophyte) कहा जाता है। यह छोटा पौधा आमतौर पर एक नए, बड़े फर्न पौधे को बनाने के लिए, जिसे स्पोरोफाइट (sporophyte) कहा जाता है, एक साथी से मिलने की आवश्यकता रखता है। हालाँकि, कुछ फर्न के पास एक विशेष तरकीब है जिसे एपोगैमी (apogamy) कहा जाता है। इस प्रक्रिया में, वह छोटा हरा पौधा बिना किसी निषेचन (fertilization) के, सीधे अपने स्वयं के सेल्स से एक नया, बड़ा फर्न पौधा विकसित करके इस मिलन को पूरी तरह से छोड़ देता है। यह अलैंगिक प्रजनन का एक रूप है जो इन पौधों को बिना किसी साथी की आवश्यकता के तेजी से फैलने की अनुमति देता है। जबकि वैज्ञानिकों ने वर्षों तक यह समझने में समय बिताया है कि फूलों वाले पौधों में इसी तरह की तरकीबें कैसे काम करती हैं, लेकिन वे आणविक निर्देश (molecular instructions) जो एक फर्न को इस प्रक्रिया को शुरू करने के लिए कहते हैं, एक रहस्य बने रहे हैं। इस छिपे हुए स्विच को समझना केवल फर्न के बारे में नहीं है; यह अंततः वैज्ञानिकों को अन्य फसलों को बीजों के बिना प्रजनन करने के लिए सिखाने में मदद कर सकता है, जो कि एक ऐसा लक्ष्य है जिसने प्लांट ब्रीडर्स को लंबे समय से आकर्षित किया है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने ड्रायोप्टेरिस एफिनिस (Dryopteris affinis) नामक एक फर्न में इस स्विच को सक्रिय करने वाले विशिष्ट आनुवंशिक निर्देशों को खोजने के उद्देश्य से काम शुरू किया। यह विशेष फर्न एक 'ओब्लिगेट एपोगैमिस्ट' (obligate apogamist) है, जिसका अर्थ है कि इसने यौन प्रजनन करने की क्षमता खो दी है और पूरी तरह से इस अलैंगिक विधि पर निर्भर है। वैज्ञानिकों ने फर्न के इन छोटे हरे सेल्स में मौजूद पूरे जेनेटिक संदेशों, या ट्रांसक्रिप्ट्स (transcripts) की लाइब्रेरी को स्कैन करना शुरू किया। वे परिचित नामों की तलाश में थे—ऐसे जीन जो अन्य पौधों में विकास और वृद्धि को नियंत्रित करने के लिए जाने जाते हैं, विशेष रूप से वे जो एक सामान्य कोशिका को भ्रूण (embryo) में बदलने में शामिल हैं। फर्न के जेनेटिक डेटा की मॉडल पौधे अरैबिडोप्सिस (Arabidopsis) के ज्ञात जीनों के साथ तुलना करके, उन्होंने सत्रह मजबूत उम्मीदवारों की पहचान की। इन उम्मीदवारों में वे जीन शामिल थे जो भ्रूण के विकास के लिए मास्टर स्विच के रूप में कार्य करते हैं, वे जीन जो अन्य जीनों को चुप कराने (silence) में मदद करते हैं, और वे जीन जो कोशिका के भीतर डीएनए (DNA) के पैकेजिंग को प्रबंधित करते हैं।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये उम्मीदवार वास्तविक हैं और केवल कंप्यूटर के अनुमान नहीं हैं, शोधकर्ताओं ने एक व्यावहारिक दृष्टिकोण अपनाया। उन्होंने फर्न से आनुवंशिक सामग्री निकाली और इन बारह जीनों के विशिष्ट अनुक्रमों को पढ़ने और प्रवर्धित (amplify) करने के लिए एक मानक प्रयोगशाला तकनीक का उपयोग किया। इसने पुष्टि की कि फर्न के पास वास्तव में इन महत्वपूर्ण नियामकों के लिए जेनेटिक ब्लूप्रिंट मौजूद हैं। सबसे आशाजनक खोजों में BBM, AIL1, और PLT2 जैसे ज्ञात जीन शामिल थे। अन्य पौधों में, ये जीन इस भूमिका के लिए प्रसिद्ध हैं कि वे एक कोशिका को एक नया पौधा बनाना शुरू करने के लिए कैसे बताते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि फर्न में ये समान जीन मौजूद थे, और जब उन्होंने फर्न के जीवन के विभिन्न चरणों में जेनेटिक संदेश की मात्रा की तुलना की, तो उन्होंने एक स्पष्ट पैटर्न देखा। जैसे-जैसे छोटा फर्न एक साधारण धागे जैसी आकृति से एक चपटे, हृदय के आकार के रूप में विकसित हुआ, इन तीन जीनों के संदेश नाटकीय रूप से बढ़ गए। इस उछाल ने सुझाव दिया कि फर्न अपने नए स्पोरोफाइट को उगाने की तैयारी करते समय अपनी आंतरिक "भ्रूण-निर्माण" मशीनरी को चालू कर रहा है।

हालाँकि, कहानी केवल यह नहीं थी कि इन जीनों की मात्रा कितनी है, बल्कि यह भी थी कि वे ठीक कहाँ स्थित हैं। इसे देखने के लिए, शोधकर्ताओं ने आरएनए फ्लोरेसेंस इन सीटू हाइब्रिडाइजेशन (RNA fluorescence in situ hybridization) नामक एक शक्तिशाली इमेजिंग तकनीक का उपयोग किया। यह विधि वैज्ञानिकों को विशिष्ट जेनेटिक संदेशों को एक चमकते डाई (dye) के साथ टैग करने की अनुमति देती है ताकि उन्हें सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे देखा जा सके। उन्होंने विकास के तीन चरणों में फर्न को देखा: प्रारंभिक धागे जैसा चरण, मध्यवर्ती चम्मच के आकार का चरण, और परिपक्व हृदय के आकार का चरण। परिणाम आश्चर्यजनक थे। प्रारंभिक चरणों में, चमकते टैग कहीं भी नहीं मिले। लेकिन हृदय के आकार वाले फर्न में, एक बहुत ही विशिष्ट स्थान पर एक चमकीला, केंद्रित संकेत दिखाई दिया: हृदय का केंद्र, जो वह सटीक स्थान है जहाँ नया फर्न पौधा अंकुरित होना शुरू होता है। BBM, AIL1, MEE29, और SE जीनों के लिए यह संकेत दिखाई दिया। शोधकर्ताओं ने प्रारंभिक चरणों में ऐसा कोई संकेत नहीं पाया, जो यह दर्शाता है कि ये जीन केवल सामान्य रूप से सक्रिय नहीं हैं, बल्कि एक सटीक क्षण और एक सटीक स्थान पर चालू होते हैं ताकि नए पौधे को शुरू किया जा सके।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि ये जीन बड़े, समन्वित समूहों का हिस्सा हैं। यह विश्लेषण करके कि इन जीनों द्वारा उत्पादित प्रोटीन आपस में कैसे परस्पर क्रिया (interact) कर सकते हैं, शोधकर्ताओं ने दो मुख्य समूहों की पहचान की जो मिलकर काम करते हैं। एक समूह छोटे आरएनए अणुओं का उपयोग करके जीनों को चुप कराने (silencing) में शामिल है, जबकि दूसरा समूह डीएनए के रासायनिक पैकेजिंग को प्रबंधित करता है, जिसे क्रोमैटिन रेगुलेशन (chromatin regulation) कहा जाता है। ये वही प्रकार की प्रणालियाँ हैं जो फूलों वाले पौधों में प्रजनन को नियंत्रित करती हैं, जो यह सुझाव देती हैं कि फर्न ने अपने अद्वितीय अलैंगिक प्रजनन को प्राप्त करने के लिए प्राचीन, संरक्षित उपकरणों का पुन: उपयोग किया है। ये निष्कर्ष यह सिद्ध नहीं करते हैं कि ये जीन एपोगैमी का एकमात्र कारण हैं, लेकिन वे पहली बार स्पष्ट मानचित्र प्रदान करते हैं कि ये महत्वपूर्ण नियामक कहाँ और कब प्रकट होते हैं। साक्ष्य एक ऐसी स्थिति की ओर इशारा करते हैं जहाँ फर्न अपने हृदय के आकार के शरीर के केंद्र में विशिष्ट विकासात्मक स्विचों को सक्रिय करता है, प्रभावी रूप से एक एकल कोशिका को यह बताने के लिए कि वह एक पत्ती का हिस्सा बनना बंद करे और एक पूरा नया पौधा बनना शुरू करे। यह खोज एक ठोस शुरुआती बिंदु प्रदान करती है कि प्रकृति कैसे सेक्स की आवश्यकता को दरकिनार करके नया जीवन बना सकती है, यह प्रकट करते हुए कि इस चमत्कार के निर्देश उसी भाषा में लिखे गए हैं जिसका उपयोग बीज से उगने वाले पौधों द्वारा किया जाता है।