Molecular Polymorphism and Evolution of CYP736 Cytochrome P450 Monooxygenase Genes across Wild Vitis Species and Muscadinia rotundifolia
यह अध्ययन जंगली *Vitis* प्रजातियों और *Muscadinia rotundifolia* में CYP736 साइटोक्रोम P450 जीन के आणविक बहुरूपता और विकास को अभिलक्षित करता है, जो यह प्रकट करता है कि जबकि ये जीन उच्च अनुक्रम संरक्षण के साथ शुद्धिकरण चयन (purifying selection) के अधीन हैं, विशिष्ट संकर (hybrids) में देखा गया पियर्स रोग (Pierce's disease) के प्रति प्रतिरोध संभवतः कोडिंग-अनुक्रम विचलन के बजाय नियामक तंत्रों द्वारा संचालित होता है।
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पौधों की दुनिया में, रक्षा एक निरंतर, मौन युद्ध है। जब एक बेल पर बैक्टीरिया या कवक (फंगस) द्वारा हमला किया जाता है, तो उसके पास जानवरों की तरह प्रतिरक्षा प्रणाली नहीं होती है; इसके बजाय, वह रासायनिक हथियार बनाने के लिए एंजाइमों की एक विशाल आंतरिक फैक्ट्री पर निर्भर करती है। इस फैक्ट्री के सबसे महत्वपूर्ण श्रमिकों में से एक 'साइटोक्रोम P450' एंजाइम हैं। ये आणविक मशीनें हैं जो अन्य अणुओं में ऑक्सीजन जोड़ने में विशेषज्ञता रखती हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो हानिरहित पादप रसायनों को जहरीले यौगिकों में बदल देती है जो आक्रमणकारियों को मारने या पौधे को अपनी रक्षा मजबूत करने का संकेत देने में सक्षम होते हैं। अंगूर की बेल में, इन एंजाइमों के एक विशिष्ट परिवार, जिसे CYP736 के रूप में जाना जाता है, को 'पियर्स रोग' (Pierce's disease) के खिलाफ लड़ाई में एक प्रमुख खिलाड़ी के रूप में पहचाना गया है, जो एक विनाशकारी जीवाणु संक्रमण है जो पौधे के जल-संचालन ऊतकों को अवरुद्ध कर देता है और कुछ ही वर्षों में इसे मार सकता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते थे कि कुछ जंगली अंगूर की प्रजातियां स्वाभाविक रूप से इस रोग के प्रति प्रतिरोधी हैं जबकि अन्य नहीं, और उन्हें संदेह था कि इन एंजाइमों को नियंत्रित करने वाले जीन ही इस रहस्य को धारण किए हुए हो सकते हैं।
शोधकर्ता जिस प्रश्न का उत्तर जानना चाहते थे वह सरल लेकिन कठिन था: क्या एक प्रतिरोधी अंगूर और एक संवेदनशील अंगूर के बीच का अंतर स्वयं एंजाइम के आकार से आता है, या इस बात से कि पौधा इस एंजाइम का कितना उत्पादन करने का निर्णय लेता है? यह पता लगाने के लिए, डेविस चेंग नामक एक शोधकर्ता ने उत्तरी अमेरिका के विविध जंगली अंगूरों के संग्रह में इन एंजाइमों के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट का परीक्षण किया। उन्होंने आठ अलग-अलग जंगली अंगूर प्रजातियों का प्रतिनिधित्व करने वाले दस विभिन्न एक्सेसियंस (accessions) के साथ-साथ मस्कैडाइन अंगूर का भी अध्ययन किया, जो एक दूर का संबंधी है। उन्होंने उन विशिष्ट हाइब्रिड बेलों का भी अध्ययन किया जिन्हें या तो रोग के प्रति प्रतिरोधी या संवेदनशील होने के लिए विकसित किया गया था, जिससे उन्हें एक आदर्श प्राकृतिक तुलना प्राप्त हुई। इन एंजाइमों को कोड करने वाले डीएनए का अनुक्रम (sequencing) करके, वह देख सके कि प्रतिरोधी और संवेदनशील पौधों के बीच निर्देश वास्तव में कैसे भिन्न थे।
जांच से पता चला कि इन एंजाइमों की बुनियादी मशीनरी उल्लेखनीय रूप से मजबूत और सुसंगत है। जांचा गया प्रत्येक अनुक्रम, सबसे दूर के मस्कैडाइन से लेकर निकट संबंधी हाइब्रिड तक, लगभग 495 निर्माण खंडों, जिन्हें अमीनो एसिड कहा जाता है, के एक पूर्ण, कार्यात्मक प्रोटीन को कोड करता है। इन सभी प्रोटीनों में ऑक्सीजन-सक्रिय करने वाली मशीनों के रूप में कार्य करने के लिए आवश्यक विशेषताएं मौजूद थीं, जिसमें एक धातु सहकारक (metal cofactor) के लिए एक विशिष्ट बाइंडिंग साइट शामिल है जो उनकी गतिविधि के लिए महत्वपूर्ण है। एंजाइम का मुख्य भाग, जहाँ वास्तविक रासायनिक कार्य होता है, सभी प्रजातियों में लगभग पूरी तरह से समान था। यह सुझाव देता है कि रासायनिक प्रतिक्रिया करने की क्षमता एक मौलिक गुण है जिसे लाखों वर्षों से संरक्षित किया गया है। हालाँकि, इन प्रोटीनों के बाहरी किनारे एक अलग कहानी बताते हैं। जबकि केंद्र स्थिर था, सिरों और सतह के लूपों में महत्वपूर्ण भिन्नता देखी गई। ये परिवर्तनशील क्षेत्र मशीन के हाथों की तरह हैं, जो यह निर्धारित करते हैं कि एंजाइम किस विशिष्ट रसायन को पकड़ता है और वह कोशिका झिल्ली से कैसे जुड़ता है। अंतर इन क्षेत्रों में केंद्रित थे, जहाँ एक प्रजाति से दूसरी प्रजाति में लगभग नौ प्रतिशत अमीनो एसिड बदल गए, जबकि महत्वपूर्ण आंतरिक कोर अछूता रहा।
जब शोधकर्ता ने प्रतिरोधी हाइब्रिड बेलों की तुलना सीधे संवेदनशील बेलों से की, तो परिणाम स्पष्ट रूप से चौंकाने वाले थे। डीएनए अनुक्रम जो इस एंजाइम को कोड करते थे, लगभग समान थे, जो पूरे आनुवंशिक कोड में केवल दो छोटे अक्षरों से भिन्न थे। इनमें से एक अंतर ने प्रोटीन को बिल्कुल नहीं बदला, और दूसरे के परिणामस्वरूप एक बहुत ही समान दिखने वाले निर्माण खंड का एक बहुत मामूली बदलाव हुआ, जो एंजाइम के सक्रिय केंद्र से दूर स्थित था। इस निष्कर्ष ने प्रभावी रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि प्रतिरोध एक अलग संस्करण के कारण आता है जो बेहतर काम करता है। यदि प्रोटीन का आकार कुंजी होती, तो प्रतिरोधी और संवेदनशील बेलों में प्रमुख संरचनात्मक अंतर दिखाई देते। इसके बजाय, साक्ष्य पूरी तरह से एक अलग तंत्र की ओर इशारा करते हैं। प्रतिरोध एक बेहतर उपकरण होने के बारे में नहीं है, बल्कि इस बारे में है कि उपकरण का उपयोग कैसे किया जाता है। प्रतिरोधी पौधे संभवतः जटिल आनुवंशिक स्विचों के माध्यम से सही समय पर इस एंजाइम की सही मात्रा का उत्पादन करते हैं, जबकि संवेदनशील पौधे संक्रमण होने पर जीन को चालू करने में विफल रहते हैं।
अध्ययन ने इन जीनों के पारिवारिक वृक्ष (family tree) का भी मानचित्रण किया, जिससे पता चला कि वे दो अलग-अलग समूहों में आते हैं। एक समूह, जिसमें अधिकांश जंगली अंगूर और प्रतिरोधी हाइब्रिड शामिल हैं, एक सामान्य संरचना साझा करता है, जबकि दूसरा समूह, जिसमें मस्कैडाइन और एक विशिष्ट जंगली प्रजाति शामिल है, पहले अलग हो गया था। यह विभाजन अंगूरों के गहरे विकासवादी इतिहास को दर्शाता है, जो मुख्य वंश को उसके दूर के संबंधी से अलग करता है। यह विश्लेषण कि ये जीन समय के साथ कैसे बदले हैं, यह दिखाता है कि प्रकृति ने एंजाइम के मुख्य कार्य को संरक्षित करने के बारे में बहुत सख्त रही है। अधिकांश परिवर्तन जो हुए वे सतह के हानिरहित या लाभकारी सुधार थे, जबकि कोई भी उत्परिवर्तन (mutation) जिसने एंजाइम की कार्य करने की क्षमता को खतरे में डाला, उसे तुरंत हटा दिया गया। संरक्षण का यह पैटर्न पुष्टि करता है कि एंजाइम आवश्यक है और इसका प्राथमिक कार्य नहीं बदला है।
अंततः, यह शोध रोग-प्रतिरोधी अंगूर उगाने के लिए एक पहेली का महत्वपूर्ण हिस्सा प्रदान करता है। यह ब्रीडर्स (प्रजनक) को बताता है कि उन्हें अपनी फसलों को बचाने के लिए इस एंजाइम के नए, सुपर-पावर्ड संस्करण की तलाश करने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, कुंजी उन आनुवंशिक स्विचों को समझने और हेरफेर करने में निहित है जो इस एंजाइम के उत्पादन की मात्रा को नियंत्रित करते हैं। जंगली अंगूरों के पास पहले से ही सही, कार्यात्मक उपकरण मौजूद हैं; जीवन और मृत्यु के बीच का अंतर केवल यह है कि क्या उस उपकरण को जीवाणु दुश्मन के आने पर प्रभावी ढंग से तैनात किया जाता है। इन नियामक तंत्रों (regulatory mechanisms) पर ध्यान केंद्रित करके, वैज्ञानिक दुनिया के अंगूर के बागों की रक्षा के लिए जंगली अंगूरों में पाई जाने वाली प्राकृतिक प्रतिरोधक क्षमता का बेहतर लाभ उठा सकते हैं।
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