Genome-wide characterization of the WRKY gene family in Juglans mandshurica and expression profiling of JmWRKY51 under drought stress

पौधे जीवित रहने के उस्ताद होते हैं, जो एक ऐसी दुनिया के साथ तालमेल बिठाने के लिए अपनी आंतरिक मशीनरी को लगातार समायोजित करते हैं जो शायद ही कभी स्थिर रहती है। जब बारिश रुक जाती है और मिट्टी सूख जाती है, तो एक पौधे को पानी बचाने, अपनी कोशिकाओं की रक्षा करने और बढ़ते रहने के लिए जल्दी से निर्णय लेना होता है। इन जीवन-मरण के निर्णय लेने के लिए, पौधे प्रोटीन के एक विशिष्ट समूह पर भरोसा करते हैं जिन्हें ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर्स (transcription factors) कहा जाता है। इन प्रोटीनों को एक निर्माण स्थल पर फोरमैन (पर्यवेक्षकों) के रूप में समझें; वे दीवारें खुद नहीं बनाते हैं, बल्कि वे ब्लूप्रिंट को पढ़ते हैं और श्रमिकों को बताते हैं कि किन जीन्स (genes) को चालू या बंद करना है। इन विशेष फोरमैनों में से एक महत्वपूर्ण परिवार 'WRKY' के रूप में जाना जाता है। वे लगभग हर पौधे में पाए जाते हैं और सूखे जैसे तनाव को महसूस करने और पौधे की रक्षा प्रणाली को संगठित करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध हैं। जबकि वैज्ञानिकों ने गेहूं और मक्का जैसी सामान्य फसलों में इन प्रोटीनों का अध्ययन किया है, चीन में एक महान पारिस्थितिक और आर्थिक मूल्य वाले पेड़ के संबंध में यह मामला काफी हद से रहस्य बना हुआ है।

यह पेड़ मंचुरियन अखरोट (Manchurian walnut) है, जो अपनी लकड़ी और औषधीय गुणों के लिए बेशकीमती है, लेकिन पानी की कमी होने पर जीवित रहने के लिए संघर्ष करता है। जैसे-जैसे जलवायु परिवर्तन अधिक बार सूखे के दौर लेकर आ रहा है, इस पेड़ के प्यास से निपटने के तरीके को समझना केवल एक वानस्पतिक जिज्ञासा नहीं है; यह इसके भविष्य के लिए एक आवश्यकता है। शेनयांग कृषि विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने मंचुरियन अखरोट के पूरे WRKY जीन्स के पुस्तकालय को मैप करने का लक्ष्य रखा। उनका लक्ष्य उन विशिष्ट जेनेटिक स्विचों को खोजना था जो पेड़ को सूखे से लड़ने में मदद करते हैं और यह देखना था कि क्या मिट्टी में रहने वाले लाभकारी बैक्टीरिया पेड़ को उन स्विचों का अधिक प्रभावी ढंग से उपयोग करने में मदद कर सकते हैं। पेड़ के जेनेटिक कोड को पढ़कर और तनाव के तहत उसके जीन्स के व्यवहार का परीक्षण करके, टीम ने पेड़ की उत्तरजीविता रणनीति की एक विस्तृत तस्वीर खोली और एक एकल जीन की पहचान की जो सूखा प्रतिरोध के खिलाफ उसकी लड़ाई में एक प्रमुख खिलाड़ी प्रतीत होता है।

शोधकर्ताओं ने मंचुरमन अखरोट के प्रत्येक WRKY परिवार के उदाहरण को खोजने के लिए उसके संपूर्ण जेनेटिक कोड को स्कैन करना शुरू किया। उन्होंने 89 विशिष्ट जीन्स की पहचान की, जो मॉडल पौधा अरैबिडोप्सिस (Arabidopsis) में पाए जाने वाले संख्या के तुलनीय है, जिससे पता चलता है कि यह परिवार लाखों वर्षों के विकास के दौरान आकार में स्थिर रहा है। उन्होंने इन जीन्स को पेड़ के 16 गुणसूत्रों (chromosomes) पर मैप किया और देखा कि वे समान रूप से नहीं फैले हुए थे; कुछ गुणसूत्रों में कई प्रतियां थीं जबकि अन्य में बहुत कम थीं। इस असमान वितरण के साथ-साथ यह खोज कि अधिकांश जीन प्रतियां छोटे, अगल-बगल की प्रतियों के बजाय गुणसूत्र खंडों के बड़े पैमाने पर दोहराव से उत्पन्न हुई थीं, ने वैज्ञानिकों को बताया कि पेड़ का जीनोम प्रमुख ऐतिहासिक घटनाओं के माध्यम से विस्तारित हुआ है। महत्वपूर्ण रूप से, टीम ने पाया कि प्रकृति ने इन जीन्स को संरक्षित करने के प्रति सख्त रही है। समय के साथ जो प्रतियां दिखाई दीं, वे बहुत कम बदली हैं, जो यह संकेत देता है कि पेड़ इन पर आवश्यक कार्यों के लिए निर्भर करता है और उन्हें बेकार होने देने का जोखिम नहीं उठा सकता।

यह समझने के लिए कि ये जीन्स कैसे काम कर सकते हैं, टीम ने प्रत्येक जीन के ठीक पहले स्थित निर्देशों को देखा, जिसे प्रमोटर क्षेत्र (promoter region) कहा जाता है। ये क्षेत्र नियंत्रण पैनल की तरह कार्य करते हैं, जिनमें हार्मोन या पर्यावरणीय तनाव जैसे संकेतों पर प्रतिक्रिया करने वाले विशिष्ट स्विच होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि मंचुरियन अखरोट के कई WRKY जीन्स ऐसे स्विचों से लैस हैं जो सूखे और पादप हार्मोन के प्रति प्रतिक्रिया करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। एक विशेष जीन, जिसका नाम JmWRKY51 रखा गया, सबसे अलग रहा। इसका नियंत्रण पैनल विशेष रूप से सूखे के संकेतों पर प्रतिक्रिया करने के लिए ट्यून किया गया था, जिसमें एक प्रमुख स्विच शामिल है जो एब्सिसिक एसिड (abscisic acid) के प्रति प्रतिक्रिया करता है, जो एक ऐसा हार्मोन है जिसे पौधे तब छोड़ते हैं जब वे प्यासे होते हैं। इस जेनेटिक संरचना ने सुझाव दिया कि JmWRKY51 केवल एक निष्क्रिय पर्यवेक्षक नहीं था, बल्कि पेड़ की सूखे के प्रति प्रतिक्रिया में एक संभावित कमांडर था।

इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिकों ने युवा मंचुरियन अखरोट के पेड़ों को नियंत्रित सूखे की स्थितियों के अधीन रखा और देखा कि उनके जीन कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने एक ऐसी विधि का उपयोग किया जो यह मापती है कि किसी दिए गए क्षण में कोशिका द्वारा एक विशिष्ट जीन को कितनी बार पढ़ा जा रहा है। परिणाम चौंकाने वाले थे। जैसे-जैसे सूखा गंभीर होता गया, JmWRKY51 की सक्रियता बढ़ गई। हल्के तनाव के तहत, इसकी सक्रियता लगभग चार गुना बढ़ गई; मध्यम तनाव के तहत, यह बारह गुना से अधिक बढ़ गई; और गंभीर सूखे के तहत, यह अपने सामान्य स्तर से बाईस गुना से अधिक तक पहुंच गई। यह कोई धीमी, क्रमिक परिवर्तन नहीं था बल्कि एक तीव्र, गहन प्रतिक्रिया थी जो पानी की कमी की गंभीरता के साथ पूरी तरह से मेल खाती थी। टीम ने उसी जीन्स पर एक अन्य, अधिक सटीक विधि का उपयोग करके इस निष्कर्ष की पुष्टि की, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि परिणाम वास्तविक है और प्रारंभिक डेटा की कोई त्रुटि नहीं है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि पेड़ के शरीर के भीतर यह जीन कहाँ सक्रिय है। उन्होंने पाया कि JmWRKY51 जड़ से लेकर फूलों तक, पेड़ के सभी हिस्सों में मौजूद है, लेकिन यह तने और नर पुष्प कलिकाओं (male flower buds) में सबसे अधिक प्रचुर मात्रा में है। तने में उच्च सांद्रता, जो जल परिवहन के मुख्य राजमार्ग हैं, यह संकेत देती है कि यह जीन पानी के संचलन को प्रबंधित करने में भूमिका निभा सकता है। यह सिद्ध करने के लिए कि जीन का नियंत्रण पैनल वास्तव में सूखे के प्रति प्रतिक्रिया करता है, टीम ने एक दृश्य प्रयोग किया। उन्होंने JmWRTY51 के नियंत्रण पैनल को एक ऐसे जीन से जोड़ा जो सक्रिय होने पर नीला हो जाता है। जब उन्होंने इस सेटअप के साथ पौधों को उगाया और फिर उन्हें सुखा दिया, तो पत्तियां, विशेष रूप से शिराओं (veins) के साथ, गहरे नीले रंग की हो गईं। इस दृश्य परिवर्तन ने पुष्टि की कि सूखा संकेत सीधे इस जीन को ट्रिगर करता है, जिससे यह ठीक उसी समय चालू हो जाता है जब पेड़ को इसकी सबसे अधिक आवश्यकता होती है।

अध्ययन ने एक अलग कोण की भी जांच की: क्या मिट्टी में मौजूद सहायक बैक्टीरिया पेड़ की सूखे के प्रति प्रतिक्रिया को बदल सकते हैं? शोधकर्ताओं ने पेड़ों में बेसिलस (Bacillus) नामक एक विशिष्ट प्रकार के लाभकारी बैक्टीरिया को पेश किया और फिर उन्हें सूखे की उन्हीं स्थितियों के अधीन किया। उन्होंने पाया कि बैक्टीरिया ने पेड़ की जेनेटिक प्रतिक्रिया को बदला, लेकिन इसका प्रभाव इस बात पर निर्भर था कि मिट्टी कितनी सूखी है। जब सूखा हल्का था, तो बैक्टीरिया ने कई सूखे से लड़ने वाले जीन्स की सक्रियता को बढ़ाने में मदद की। हालांकि, जब सूखा गंभीर हो गया, तो बैक्टीरिया ने वास्तव में प्रतिक्रिया की तीव्रता को कम कर दिया, विशेष रूप से प्रमुख जीन JmWRKY51 के लिए। यह सुझाव देता है कि बैक्टीरिया पेड़ को अत्यधिक प्रतिक्रिया देने से बचने में मदद कर सकते हैं, शायद ऊर्जा बचाने के लिए या बहुत मजबूत प्रतिक्रिया से होने वाले नुकसान को रोकने के लिए अपनी रक्षा प्रणाली को सूक्ष्म रूप से व्यवस्थित करने के लिए।

निष्कर्ष मंचुरियन अखरोट की जेनेटिक रक्षा प्रणाली की एक स्पष्ट तस्वीर पेश करते हैं। पेड़ के पास 89 WRKY जीन्स का एक मजबूत परिवार है जो समय के साथ सावधानीपूर्वक संरक्षित किया गया है। उनमें से, JmWRKY51 एक महत्वपूर्ण सेंसर और सूखे के प्रति प्रतिक्रिया देने वाला तत्व के रूप में उभरा है, जो पानी की कमी होने पर अपनी सक्रियता को तेजी से बढ़ाने में सक्षम है। तनाव संकेतों के प्रति इसकी प्रतिक्रिया करने की क्षमता, जल-परिवहन ऊतकों में इसकी उच्च सांद्रता, और सूखे के प्रति प्रतिक्रिया की दृश्य पुष्टि इसे इस पेड़ के जीवित रहने को समझने के लिए एक प्राथमिक उम्मीदवार बनाती है। हालांकि यह अध्ययन अभी तक यह सिद्ध नहीं करता कि क्या यह जीन अकेले पेड़ को सूखा-रोधी बना सकता है, लेकिन यह भविष्य के कार्य के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है। इस विशिष्ट जेनेटिक लीवर की पहचान करके, वैज्ञानिकों के पास अब आगे अध्ययन करने के लिए एक लक्ष्य है, जो संभावित रूप से मंचुरियन अखरोट और अन्य मूल्यवान पेड़ों को तेजी से शुष्क होती दुनिया में फलने-फूलने में मदद करने के नए तरीके विकसित कर सकता है।