COI1 phosphorylation status drives redox state-mediated thermotolerance in plants

पौधे गर्मी से भाग नहीं सकते। जब सूरज की तपिश बढ़ती है और तापमान उनकी सहनशक्ति से अधिक हो जाता है, तो उन्हें अपनी जगह पर डटे रहना पड़ता है और जीवित रहने का रास्ता खोजना पड़ता है। ऐसा करने के लिए, वे एक जटिल आंतरिक संचार प्रणाली पर भरोसा करते हैं, जिसमें वे रासायनिक संकेतों का उपयोग करके अपनी कोशिकाओं को बताते हैं कि क्या हो रहा है और उन्हें कैसे प्रतिक्रिया देनी चाहिए। इनमें से सबसे महत्वपूर्ण संकेतों में से एक 'जैस्मोनेट' नामक हार्मोन है। जैस्मोनेट को एक बहुमुखी संदेशवाहक के रूप में समझें जो पौधों को कीटों से रक्षा करने में मदद करता है और उन्हें उच्च तापमान से निपटने में भी सहायता करता है। पौधे के पास एक विशिष्ट रिसीवर होता है, जिसे COI1 नामक प्रोटीन कहा जाता है, जो इस हार्मोन को सुनता है। जब रिसीवर संकेत का पता लगाता है, तो यह एक श्रृंखला अभिक्रिया (चेन रिएक्शन) शुरू कर देता है जो इस बात को बदल देती है कि पौधा कैसे बढ़ता है और खुद की रक्षा करता है। हालाँकि, वैज्ञानिक लंबे समय से यह जानने के लिए उत्सुक थे कि तापमान बढ़ने पर यह रिसीवर वास्तव में कैसे काम करता है, और यह कौन से आणविक स्विच चालू करता है जिससे पौधा जीवित रहता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पहेली के एक महत्वपूर्ण हिस्से को उजागर किया है, जिससे यह पता चला है कि कैसे COI1 रिसीवर में एक सरल रासायनिक परिवर्तन पौधों को गर्मी सहने में सक्षम बनाता है। इस अध्ययन ने, जिसमें गेहूं और मॉडल पौधा एराबिडोप्सिस (Arabidopsis) दोनों को देखा गया, पाया कि जब तापमान मध्यम रूप से उच्च होता है, तो COI1 प्रोटीन का एक विशिष्ट स्थान अपना रासायनिक स्वरूप बदल लेता है। यह परिवर्तन एक स्विच की तरह कार्य करता है जो यह बदल देता है कि प्रोटीन कोशिका के भीतर किससे बात करता है। केवल हार्मोन सिग्नल का प्रबंधन करने के बजाय, संशोधित रिसीवर एक अलग साथी, ASK1 नामक प्रोटीन के साथ परस्पर क्रिया करना शुरू कर देता है। यह नई साझेदारी रिसीवर को स्थिर करती है, जिससे वह टूटने या नष्ट होने से सुरक्षित रहता है, और साथ ही एक अन्य प्रोटीन, GRXS17 को मुक्त करती है, जो पहले उससे चिपका हुआ था। मुक्त होने के बाद, यह रिलीज हुआ प्रोटीन समूहों का निर्माण कर सकता है जो एक सफाई दल (क्लीनअप क्रू) के रूप में कार्य करते हैं, और गर्मी के तनाव के दौरान जमा होने वाले खतरनाक अणुओं को बेअसर करते हैं। यह प्रक्रिया, जो COI1 रिसीवर की फॉस्फोरिलीकरण (फॉस्फोरायलेशन) स्थिति द्वारा संचालित होती है, पौधे के लिए गर्मी से उबरने और बढ़ना जारी रखने के लिए आवश्यक है।

शोधकर्ताओं ने अपनी जांच की शुरुआत गेहूं की विभिन्न किस्मों को देखकर की। वे जानते थे कि कुछ गेहूं के प्रकार गर्मी को दूसरों की तुलना में बेहतर तरीके से झेलते हैं, और उन्हें संदेह था कि अंतर उनके जैस्मोनेट सिग्नलिंग के काम करने के तरीके में है। गर्मी-सहनशील गेहूं की किस्मों और गर्मी-संवेदनशील किस्मों के प्रोटीनों की तुलना करके, उन्होंने एक विशिष्ट पैटर्न पाया। गर्मी-सहनशील पौधों में, COI1 प्रोटीन का एक विशिष्ट हिस्सा, जिसे TaCOI1-1D कहा जाता है, 34 डिग्री सेल्सियस के तापमान के संपर्क में आने पर अपने रासायनिक स्वरूप में बदलाव दिखाता है। इस बदलाव में प्रोटीन के एक विशिष्ट स्थान पर एक फॉस्फेट समूह का जुड़ना शामिल था, जिसे फॉस्फोरिलीकरण (फॉस्फोरायलेशन) की प्रक्रिया कहा जाता है। गर्मी-संवेदनशील गेहूं में, यह परिवर्तन उसी तरह से नहीं हुआ। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि इस विशिष्ट स्थान, जिसे सेरीन 16 (Serine 16) कहा जाता है, पर इस फॉस्फेट समूह को हटाने या बदलने की क्षमता, गर्मी से जीवित रहने की पौधे की क्षमता से जुड़ी हुई थी।

यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, टीम ने एराबिडोप्सिस की ओर रुख किया, जो एक छोटा फूल वाला पौधा है जिसका उपयोग अनुसंधान के लिए अक्सर किया जाता है क्योंकि इसकी आनुवंशिकी अच्छी तरह से समझी जा चुकी है। उन्होंने पाया कि गेहूं का प्रोटीन और एराबिडोप्सिस का प्रोटीन बहुत समान थे, जिसमें गेहूं का महत्वपूर्ण स्थान एराबिडोप्सिस के थ्रोनिन 16 (Threonine 16) नामक स्थान के अनुरूप था। वैज्ञानिकों ने एराबिडोप्सिस COI1 प्रोटीन का एक ऐसा संस्करण बनाया जहाँ इस विशिष्ट थ्रोनिन 16 स्थान को एलानिन (Alanine) अमीनो एसिड (एक T16A म्यूटेशन) से बदल दिया गया। इस बदलाव ने प्रभावी रूप से उस स्थान को हटा दिया जहाँ फॉस्फोरिलीकरण हो सकता था। जब उन्होंने इन संशोधित पौधों को उगाया, तो उन्होंने कुछ उल्लेखनीय पाया। सामान्य परिस्थितियों में, ये पौधे सामान्य पौधों की तरह ही दिखे और व्यवहार किए। लेकिन, जब इन्हें उच्च तापमान के संपर्क में लाया गया, तो संशोधित पौधे सामान्य पौधों की तुलना में बहुत बेहतर स्थिति में रहे। वे गर्मी के तनाव से अधिक तेज़ी से उबर गए और उनमें सामान्य पौधों की तुलना में कम क्षति के लक्षण दिखे। इससे यह संकेत मिला कि COI1 प्रोटीन को अनफॉस्फोरिलेटेड (unphosphorylated) अवस्था में रखना ही गर्मी से बचने की कुंजी थी।

अगला कदम यह समझना था कि संशोधित प्रोटीन ने पौधों को इतना मजबूत क्यों बनाया। शोधकर्ताओं ने जांच की कि COI1 रिसीवर अन्य किन प्रोटीनों के साथ परस्पर क्रिया कर रहा था। उन्होंने पाया कि जब महत्वपूर्ण स्थान अनफॉस्फोरिलेटेड था, तो COI1 प्रोटीन ASK1 नामक साथी के साथ बहुत मजबूती से जुड़ा रहता था। यह मजबूत बंधन महत्वपूर्ण था क्योंकि ASK1, COI1 प्रोटीन को स्थिर रखने और उसे कोशिका की रीसाइक्लिंग मशीनरी द्वारा नष्ट होने से बचाने में मदद करता है। गर्मी से जूझ रहे पौधों में, इस स्थिरता का अर्थ था कि काम करने के लिए अधिक COI1 उपलब्ध था। लेकिन कहानी यहीं समाप्त नहीं हुई। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि COI1, GRXS17 नामक एक अन्य प्रोटीन के साथ परस्पर क्रिया करता है, जो कोशिका की रेडॉक्स स्थिति (ऑक्सीजन और ऊर्जा अणुओं के संतुलन) को प्रबंधित करने में शामिल है।

सामान्य परिस्थितियों में, COI1 और GRXS17 आपस में जुड़े रहते हैं। हालाँकि, टीम ने पाया कि जब COI1, ASK1 के साथ मजबूती से जुड़ता है, तो यह GRXS17 को अलग होने के लिए मजबूर करता है। यह मुक्ति (रिलीज़) महत्वपूर्ण है। एक बार जब GRXS17 स्वतंत्र हो जाता है, तो यह अन्य GRXS17 अणुओं के साथ समूह या क्लस्टर बना सकता है। ये समूह एक ढाल के रूप में कार्य करते हैं, जिससे पौधे को हानिकारक हाइड्रोजन पेरोक्साइड को हटाने में मदद मिलती है, जो गर्मी के तनाव के दौरान जमा होने वाला एक विषाक्त उपोत्पाद (बायप्रोडक्ट) है। शोधकर्ताओं ने इसकी पुष्टि यह दिखाकर की कि GRXS17 प्रोटीन की कमी वाले पौधे गर्मी से जीवित नहीं रह सके, भले ही उनके पास संशोधित COI1 मौजूद था। इसके अलावा, जब उन्होंने संशोधित COI1 वाले पौधों को देखा, तो उन्होंने पाया कि ये पौधे गर्मी के तनाव के बाद रिकवरी चरण के दौरान हाइड्रोजन पेरोक्साइड को साफ करने में बहुत बेहतर थे।

टीम ने इन प्रोटीनों के फिट होने के तरीके को देखने के लिए उन्नत कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग किया। मॉडलों ने दिखाया कि जब COI1 पर महत्वपूर्ण स्थान अनफॉस्फोरिलेटेड होता है, तो प्रोटीन अपने आकार में थोड़ा बदलाव करता है, जिससे ASK1 पर उसकी पकड़ और भी मजबूत हो जाती है। यह मजबूत पकड़ भौतिक रूप से GRXS17 को दूर धकेल देती है, जिससे उनका संबंध टूट जाता है। यह एक गतिशील स्विच है: एक प्रोटीन की रासायनिक स्थिति यह निर्धारित करती है कि वह किस साथी को थामे रखेगा। जब पौधा ठंडा होता है, तो GRXS17 के साथ संबंध अधिक संतुलित हो सकता है, लेकिन जब गर्मी बढ़ती है, तो ASK1 की ओर झुकाव यह सुनिश्चित करता है कि सफाई दल, GRXS17, अपना काम करने के लिए मुक्त हो जाए।

यह खोज इस बात को रेखांकित करती है कि पौधे बदलते जलवायु के अनुकूल होने के लिए एक परिष्कृत तंत्र का उपयोग करते हैं। यह केवल गर्मी के अलार्म को चालू करने के बारे में नहीं है; यह तनाव को प्रबंधित करने के लिए कोशिका के आंतरिक कनेक्शनों को फिर से व्यवस्थित करने के बारे में है। अध्ययन से पता चलता है कि COI1 रिसेप्टर की फॉस्फोरिलीकरण स्थिति इस पुनर्गठन के पीछे की प्रेरक शक्ति है। रिसेप्टर को स्थिर करके और रेडॉक्स रेगुलेटर को मुक्त करके, पौधा यह सुनिश्चित करता है कि वह उन विषाक्त अणुओं को साफ कर सके जो उसकी कोशिकाओं को नुकसान पहुँचा सकते हैं। यह निष्कर्ष बताता है कि इन प्रोटीन इंटरैक्शन को प्रबंधित करने की क्षमता थर्मोटोलरेंस (ताप सहिष्णुता) का एक महत्वपूर्ण घटक है। गेहूं जैसी फसलों के लिए, जो वैश्विक खाद्य सुरक्षा के लिए आवश्यक हैं, इस तंत्र को समझना एक दिन वैज्ञानिकों को ऐसी किस्में विकसित करने में मदद कर सकता है जो बढ़ते तापमान के प्रति अधिक लचीली हों। यह शोध एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि कैसे एक एकल रासायनिक संशोधन एक जटिल रक्षा रणनीति को संचालित कर सकता है, जिससे एक साधारण रिसेप्टर अस्तित्व के लिए एक मास्टर रेगुलेटर में बदल जाता है।