Comprehensive genomic and regulatory analysis of the NAC gene family reveals stress-adaptive mechanisms in Sesame (Sesamum indicum L.)

पौधे लगातार अपने पर्यावरण के साथ बातचीत करते हैं, विकास की आवश्यकता और सूखे, गर्मी या बीमारी से बचने की आवश्यकता के बीच संतुलन बनाए रखते हैं। इस नाजुक संतुलन को प्रबंधित करने के लिए, वे ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर्स नामक प्रोटीनों से बने एक परिष्कृत आंतरिक कमांड सिस्टम पर भरोसा करते हैं। इन प्रोटीनों को 'मास्टर स्विच' के रूप में सोचें जो विशिष्ट जीन को चालू या बंद करते हैं, जिससे कोशिका को किसी विशेष कार्य के लिए आवश्यक उपकरण बनाने का निर्देश मिलता है। इन स्विचों में सबसे महत्वपूर्ण में से एक NAC नामक एक बड़ा परिवार है। इन प्रोटीनों का नाम उन पहले तीन पौधों के नाम पर रखा गया है जिनमें इनकी खोज की गई थी, और ये जड़ें और पत्तियां विकसित करने से लेकर मौसम कठोर होने पर प्रतिक्रिया देने तक सब कुछ के लिए केंद्रीय प्रबंधक के रूप में कार्य करते हैं। जबकि वैज्ञानिकों ने एराबिडोप्सिस जैसे छोटे खरपतवार या चावल और गेहूं जैसी प्रमुख फसलों जैसे मॉडल पौधों में इन स्विचों का लंबे समय से अध्ययन किया है, तिल का पौधा कुछ हद तक एक पहेली बना हुआ है। तिल एक कठोर फसल है, जो शुष्क, सीमांत भूमि में फलने-फूलने के लिए प्रसिद्ध है जहाँ अन्य पौधे संघर्ष करते हैं, फिर भी इस लचीलेपन को प्राप्त करने के लिए यह जिस विशिष्ट आनुवंशिक तंत्र का उपयोग करता है, उसका मानचित्र पूरी तरह से तैयार नहीं किया गया है।

मोहगेघ अरदाबीली विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने तिल में NAC जीन परिवार का एक पूर्ण सूची और विश्लेषण करके इस अंतर को भरने का प्रयास किया। उन्होंने तिल के पूरे जीनोम (पौधे के आनुवंशिक निर्देशों का संपूर्ण सेट) को स्कैन करके इन विशिष्ट जीनों के प्रत्येक उदाहरण को खोजने से शुरुआत की। उनकी खोज में 66 विशिष्ट NAC जीन मिले, जिन्हें उन्होंने SiNAC1 से SiNAC6నే SiNAC66 नाम दिया। यह संख्या कुछ अन्य फसलों में पाए जाने वाले सैकड़ों NAC जीनों की तुलना में अपेक्षाकृत कम है, एक ऐसा तथ्य जिसने तुरंत संकेत दिया कि तिल का विकास अलग तरह से हुआ होगा। शोधकर्ताओं ने इन जीनों की भौतिक संरचना की जांच की, यह देखते हुए कि वे पौधे के गुणसूत्रों पर कैसे व्यवस्थित थे और उनके आंतरिक भाग, जिन्हें एक्सॉन और इंट्रॉन कहा जाता है, कैसे संगठित थे। उन्होंने इन जीनों द्वारा बनाए गए प्रोटीनों के 3D आकार का भी मॉडल बनाया, जिससे पुष्टि हुई कि वे अन्य पौधों में पाए जाने वाले NAC प्रोटीनों की अपेक्षित संरचना से मेल खाते हैं।

अध्ययन से पता चला कि तिल तनाव से लड़ने वाले उपकरणों की एक बड़ी सेना बनाने के लिए केवल अपने स्वयं के जीनों की नकल और प्रतिलिपि बनाने पर निर्भर नहीं था। इसके बजाय, विश्लेषण ने दिखाया कि तिल का NAC परिवार विकासवादी समय के दौरान संक्षिप्त और स्थिर रहा है, जिसमें जीन के विस्तार के बजाय ज्यादातर एकल प्रतियों को बनाए रखा गया है। यह निष्कर्ष इस विचार को चुनौती देता है कि अधिक जीन होने से स्वचालित रूप से बेहतर तनाव सहने की क्षमता आती है। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने पाया कि तिल ने अपने मौजूदा टूलकिट को अनुकूलित किया है। एराबिडोप्सिस और ऑयलसीड रेप (सरसों) के पौधों के साथ तुलना करके, उन्होंने एक मजबूत विकासवादी संबंध पाया, जो बताता है कि तिल ने इन नियामकों का एक संक्षिप्त सेट रखा है जो विभिन्न पौधों के परिवारों में अत्यधिक संरक्षित है।

हालाँकि, तिल के जीवित रहने की असली कहानी इस बात में नहीं है कि उसके पास कितने जीन हैं, बल्कि इसमें है कि उन जीनों को कैसे नियंत्रित किया जाता है। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक जीन से ठीक पहले के क्षेत्रों की जांच की, जिन्हें प्रमोटर कहा जाता है, जो नियंत्रण पैनलों की तरह कार्य करते हैं जहाँ अन्य अणु जीन की गतिविधि शुरू करने या रोकने के लिए जुड़ सकते हैं। उन्होंने पाया कि ये नियंत्रण पैनल विशिष्ट निर्देश कोड से घने भरे हुए हैं, जिन्हें 'सिस-रेगुलेटरी एलीमेंट्स' कहा जाता है, जो पर्यावरणीय संकेतों पर प्रतिक्रिया देते हैं। ये कोड सूखे, ठंड और एब्सिसिक एसिड जैसे विभिन्न पादप हार्मोन के लिए सेंसर के रूप में कार्य करते हैं, जो पानी की कमी से निपटने में पौधों की मदद करने के लिए महत्वपूर्ण है। उल्लेखनीय रूप से, तिल के तीन NAC जीन कोशिका झिल्ली (सेल मेम्ब्रेन) से जुड़े पाए गए, और इन विशिष्ट प्रोटीनों के पास इन तनाव-संवेदी कोडों की सबसे विस्तृत विविधता थी, जो यह सुझाव देता है कि वे पौधे की रक्षा प्रणाली की अग्रिम पंक्ति पर हैं।

नियमन की पूरी तस्वीर को समझने के लिए, टीम ने नियंत्रण के एक ऐसे स्तर की भी जांच की जो जीन को पढ़े जाने के बाद लेकिन प्रोटीन के पूरी तरह से बनने से पहले होता है। इसमें माइक्रोआरएनए (microRNAs) नामक सूक्ष्म अणु शामिल हैं, जो आनुवंशिक संदेशों से जुड़कर उन्हें शांत कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने 306 ज्ञात पादप माइक्रोआरएनए की पहचान की जिनमें तिल के NAC जीन को लक्षित करने की क्षमता है। इनमें से, दो विशिष्ट प्रकार, miR164 और miR397, सबसे महत्वपूर्ण नियंत्रक के रूप में उभरे। ये माइक्रोआरएनए सूक्ष्म ट्यूनर के रूप में कार्य करते हैं, जो पौधे की जरूरतों के आधार पर प्रमुख NAC जीनों की गतिविधि को तेजी से ऊपर या नीचे करने में सक्षम हैं। यह प्रणाली तिल को नए जीन बनाने या दोगुना करने की प्रतीक्षा किए बिना, उसके वातावरण में अचानक आए बदलावों के प्रति तेजी से प्रतिक्रिया करने की अनुमति देती है।

इस कार्य से उभरने वाली अंतिम तस्वीर दक्षता और लचीलेपन की है। तिल अपने कठोर वातावरण में तनाव जीनों के विशाल, दोहराव वाले पुस्तकालय के माध्यम से जीवित नहीं रहता है। इसके बजाय, वह स्विचों और सेंसरों के एक जटिल नेटवर्क द्वारा शासित 66 जीनों के एक छोटे, अत्यधिक संगठित सेट पर भरोसा करता है। पौधा तनाव को प्रबंधित करने के लिए अपने जीनों पर जटिल नियंत्रण पैनलों और तीव्र-प्रतिक्रिया माइक्रोआरएनए संकेतों के संयोजन का उपयोग करता है। यह नियामक लचीलापन तिल को सूखे और अन्य चुनौतियों के प्रति तेजी से अनुकूल होने की अनुमति देता है, जो यह सिद्ध करता है कि एक संक्षिप्त जीनोम भी उतना ही शक्तिशाली हो सकता है जितना कि एक बड़ा जीनोम, यदि नियंत्रण प्रणाली पर्याप्त परिष्कृत हो। ये निष्कर्ष एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करते हैं कि कौन से आनुवंशिक लीवर तिल को इतना लचीला बनाते हैं, जो भविष्य की फसलों में तनाव सहने की क्षमता में सुधार करने के लिए ब्रीडर्स को विशिष्ट लक्ष्य प्रदान करते हैं।