Cloning of the GPCR-type G protein gene SikCOLD1 from Saussurea involucrata and functional validation and mechanistic analysis of its chilling tolerance in overexpressed processing tomato
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि *Saussurea involucrata* से GPCR-प्रकार के G प्रोटीन जीन *SikCOLD1* का अति-अभिव्यक्ति (overexpression), शीत तनाव के तहत इसके शारीरिक, ट्रांसक्रिप्शनल और प्रोटीन-इंटरैक्शन नियामक तंत्रों को स्पष्ट करते हुए, प्रोसेसिंग टमाटर में ठंड सहने की क्षमता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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टमाटर एक गर्म मौसम की फसल है, एक ऐसा तथ्य जो इसे तब संवेदनशील बना देता है जब मौसम ठंडा हो जाता है। जब तापमान गिरता है, तो टमाटर के पौधे के भीतर की नाजुक मशीनरी काम करना बंद कर देती है। कोशिका झिल्लियाँ (cell membranes), जो पौधे को एक साथ थामे रखने वाली लचीली दीवारों की तरह कार्य करती हैं, सख्त और भंगुर हो जाती हैं। इस कठोरता के कारण रिसाव होता है, जिससे हानिकारक रसायन बाहर निकल आते हैं और कोशिका की आंतरिक संरचना को नुकसान पहुँचता है। साथ ही, प्रकाश संश्लेषण (photosynthesis)—सूर्य के प्रकाश को ऊर्जा में बदलने की प्रक्रिया—की क्षमता रुक जाती है, और जहरीले उपोत्पाद (byproducts) पौधे द्वारा साफ किए जाने की तुलना में तेजी से जमा होने लगते हैं। ग्रीनहाउस में टमाटर उगाने वाले किसानों या अनिश्चित वसंत और शरद ऋतु वाले क्षेत्रों में रहने वाले किसानों के लिए, यह ठंड के प्रति संवेदनशीलता एक बड़ी बाधा है, जिससे अक्सर विकास रुक जाता है, फूल झड़ जाते हैं और फलों की गुणवत्ता खराब हो जाती है। जबकि कुछ पौधे अत्यधिक ठंडी अल्पाइन स्थितियों में जीवित रहने के लिए लाखों वर्षों में विकसित हुए हैं, टमाटर नहीं हुआ है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस अंतर को पाटने के तरीके खोज रहे हैं, इस उम्मीद में कि वे कठोर पौधों की उत्तरजीविता रणनीतियों को उधार लेकर उन्हें टमाटर में स्थापित कर सकें ताकि इसे अधिक मजबूत बनाया जा सके।
हाल ही में एक अध्ययन में, चीन के शिहेज़ी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस समस्या के लिए एक विशिष्ट आनुवंशिक समाधान की खोज की। उन्होंने अपना ध्यान 'सॉसुरिया इन्वोलेक्राटा' (Saussurea involucrata) नामक एक पौधे की ओर लगाया, जो एक कठोर अल्पाइन फूल है और ऊंचे पहाड़ों के भीषण, बर्फीले वातावरण में पनपता है। इस पौधे में 'सिकोल्ड1' (SikCOLD1) नामक एक जीन है, जो ठंडे तापमान के लिए एक परिष्कृत सेंसर के रूप में कार्य करता है। अपने मूल निवास स्थान में, यह जीन पौधे को तापमान में गिरावट का पता लगाने और तुरंत सुरक्षात्मक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला शुरू करने में मदद करता है। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या यही जीन टमाटर के लिए भी वही काम कर सकता है। उन्होंने अल्पाइन फूल से 'सिकोल्ड1' जीन लिया और उसे एक सामान्य प्रसंस्करण टमाटर की किस्म के डीएनए में डाल दिया। फिर उन्होंने इन संशोधित पौधों को सामान्य पौधों के साथ उगाया और दोनों समूहों को कोल्ड स्ट्रेस टेस्ट (ठंड के तनाव का परीक्षण) के अधीन किया, जिसमें उन्हें दो दिनों तक चार डिग्री सेल्सियस के ठंडे तापमान पर रखा गया।
परिणाम चौंकाने वाले थे। जब ठंड पड़ी, तो सामान्य टमाटर के पौधों ने संकट के लक्षण दिखाना शुरू कर दिया। उनकी पत्तियां मुरझा गईं और पीली पड़ गईं, और उनकी आंतरिक केमिस्ट्री गंभीर क्षति के संकेत दिखाने लगी। उनकी कोशिकाओं के भीतर की झिल्लियाँ टूट गई थीं, जिससे जहरीले पदार्थों का संचय हुआ जो संकेत दे रहा था कि कोशिकाएं मर रही हैं। इसके विपरीत, अल्पाइन जीन वाले टमाटर काफी स्वस्थ दिखाई दिए। उनकी पत्तियां हरी और सख्त बनी रहीं, और उनकी आंतरिक प्रणालियाँ बहुत बेहतर तरीके से एकजुट रहीं। संशोधित पौधे अपनी कोशिका झिल्लियों को स्थिर रखने और उस जहरीले संचय को रोकने में सक्षम थे जो सामान्य पौधों को परेशान कर रहा था। उन्होंने प्राकृतिक एंटीऑक्सीडेंट के उच्च स्तर को भी बनाए रखा, जो पौधे की अपनी सफाई टीम है जो हानिकारक रसायनों को बेअसर करती है, और उन्होंने अपने गैर-संशोधित समकक्षों की तुलना में अपने प्रकाश संश्लेषण तंत्र को अधिक कुशलता से चालू रखा।
यह समझने के लिए कि यह जीन वास्तव में कैसे काम कर रहा था, शोधकर्ताओं ने पौधों की आनुवंशिक गतिविधि की गहराई में जाकर जांच की। उन्होंने आरएनए (RNA) को अनुक्रमित (sequence) किया, जो निर्देशों का वह समूह है जिसका उपयोग कोशिकाएं प्रोटीन बनाने के लिए करती हैं, ताकि यह देखा जा सके कि कोल्ड स्ट्रेस के दौरान कौन से जीन चालू या बंद होते हैं। उन्होंने पाया कि सामान्य टमाटर के पौधे ठंड के प्रति प्रतिक्रिया देने की कोशिश तो करते थे, लेकिन उनकी प्रतिक्रिया सीमित थी और अक्सर विफल हो जाती थी। हालांकि, अल्पाइन जीन वाले पौधों ने एक बहुत व्यापक और शक्तिशाली रक्षा प्रणाली शुरू की। 'सिकोल्ड1' जीन की उपस्थिति एक मास्टर स्विच की तरह काम करती प्रतीत हुई, जिसने उन सुरक्षात्मक जीनों के एक विशाल नेटवर्क को जगा दिया जिन्हें सक्रिय करने के लिए सामान्य पौधों को संघर्ष करना पड़ता था। इस नेटवर्क में वे जीन शामिल थे जो क्षतिग्रस्त प्रोटीन की मरम्मत करने, कोशिका के भीतर कैल्शियम संकेतों के प्रवाह को प्रबंधित करने और तनाव से बचने के लिए आवश्यक एंटीऑक्सीडेंट का उत्पादन करने के लिए जिम्मेदार थे।
इन हजारों जीनों के मिलकर काम करने के तरीके का मानचित्रण करने के लिए उन्नत कंप्यूटर विश्लेषण का उपयोग करते हुए, टीम ने जीनों के एक विशिष्ट समूह की पहचान की जो पौधे की ठंड से बचने की क्षमता से सबसे निकटता से जुड़े थे। इस समूह को उन्होंने एक "मॉड्यूल" कहा, जो कोशिकीय कचरे की सफाई करने, तनाव संकेतों को प्रबंधित करने और कोशिका की संरचनात्मक अखंडता बनाए रखने में गहराई से शामिल था। इस समूह के भीतर, उन्होंने कुछ प्रमुख जीन पाए जो पूरे रक्षा प्रयास का समन्वय करने वाले केंद्रीय केंद्रों (hubs) के रूप में कार्य करते हैं। इन केंद्रों में वे जीन शामिल थे जो कोशिका चक्र को विनियमित करने और यह सुनिश्चित करने में मदद करते हैं कि पौधे का डीएनए स्थिर रहे, साथ ही वे जीन भी जो कोशिका को शेष पौधे को तनाव के संकेत भेजने में मदद करते हैं। अध्ययन से पता चलता है कि अल्पाइन जीन केवल टमाटर के टूलबॉक्स में एक नया उपकरण नहीं जोड़ता है; बल्कि यह पूरे वर्कशॉप (कार्यशाला) को पुनर्गठित करता है, जिससे पौधा उस स्तर के समन्वय और गति के साथ ठंड के प्रति प्रतिक्रिया दे पाता है जो उसके पास पहले कभी नहीं था।
शोधकर्ताओं ने सुरक्षात्मक प्रोटीन और रसायनों के वास्तविक स्तरों को मापकर अपने आनुवंशिक निष्कर्षों की पुष्टि की, जो आनुवंशिक डेटा से पूरी तरह मेल खाते थे। उन्होंने यह भी देखा कि संशोधित पौधों ने क्लोरोफिल (प्रकाश संश्लेषण के लिए आवश्यक हरा वर्णक) का उच्च स्तर बनाए रखा, और वे अतिरिक्त ऊर्जा को नष्ट करने में बेहतर थे जो अन्यथा पौधे को नुकसान पहुँचा सकती थी। इस व्यापक सुरक्षा ने संशोधित टमाटरों को सामान्य पौधों में देखे गए गंभीर विकास विलंब या ऊतक क्षति के बिना ठंड को सहने में सक्षम बनाया। हालांकि यह अध्ययन एक नियंत्रित वातावरण में किया गया था, लेकिन इसके निष्कर्ष एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। एक पहाड़ी फूल से इस एकल जीन को पेश करके, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यह एक गर्म मौसम की फसल की ठंड सहने की क्षमता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाने के लिए संभव है, जिससे संभावित रूप से ठंडे जलवायु वाले क्षेत्रों या अनिश्चित मौसम के दौरान किसानों को अधिक विश्वसनीय और उत्पादक टमाटर फसल उगाने में मदद मिल सकती है।
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