Genome-Wide Identification of the CHS Gene Family in Platycodon grandiflorus and Expression Analysis Under Multiple Phytohormone Treatments

पौधे रासायनिक कारखाने हैं, जो जीवित रहने, बढ़ने और खुद को बचाने के लिए बड़ी संख्या में यौगिकों का निर्माण करने में निरंतर लगे रहते हैं। इन रासायनिक उपकरणों के बीच फ्लेवोनोइड्स (flavonoids) शामिल हैं, जो अणुओं का एक बड़ा समूह है जो फूलों को उनके जीवंत रंग देते हैं, पत्तियों को कठोर धूप से बचाते हैं, और पौधों को बीमारियों से लड़ने में मदद करते हैं। मनुष्यों के लिए, ये वही यौगिक अक्सर औषधीय जड़ी-बूटियों में पाए जाने वाले उपचार गुणों का स्रोत होते हैं। इन फ्लेवोनोइड्स को बनाने के लिए, पौधे एंजाइमों की एक विशिष्ट असेंबली लाइन पर निर्भर करते हैं, जिसमें एक विशेष एंजाइम 'द्वारपाल' (gatekeeper) के रूप में कार्य करता है। यह द्वारपाल, जिसे चालकोन सिंथेज़ (chalcone synthase) के रूप में जाना जाता है, पहला महत्वपूर्ण कदम पूरा करता है, जो सभी फ्लेवोनोइड उत्पादन की नींव बनाने के लिए छोटे आणविक निर्माण खंडों को जोड़ता है। इस एंजाइम के बिना, पूरी फैक्ट्री लाइन रुक जाती है, और पौधा इन महत्वपूर्ण सुरक्षात्मक रसायनों का उत्पादन नहीं कर पाता है।

इस द्वारपाल को नियंत्रित करने के तरीके को समझना यह समझने की कुंजी है कि पौधा अपने औषधीय मूल्य का उत्पादन कैसे करता है। बैलून फ्लावर (balloon flower) के मामले में, जो एक बारहमासी जड़ी-बूटी है जिसका उपयोग सदियों से पारंपरिक पूर्वी एशियाई चिकित्सा में खांसी और सूजन के इलाज के लिए किया जाता रहा है, वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि इसमें मूल्यवान फ्लेवोनोइड्स मौजूद हैं। हालांकि, वे विशिष्ट आनुवंशिक निर्देश जो पौधे को यह बताते हैं कि इस द्वारपाल एंजाइम को कब और कितना बनाना है, एक रहस्य बना हुआ था। सिचुआन कॉलेज ऑफ ट्रेडिशनल चाइनीज मेडिसिन के शोधकर्ताओं ने बैलटोन फ्लावर में इस एंजाइम के लिए जिम्मेदार जीन के पूरे परिवार का मानचित्रण करने के लिए प्रयास किया, यह देखते हुए कि ये जीन कैसे व्यवस्थित हैं, समय के साथ कैसे बदले हैं, और वे पौधे के भीतर विभिन्न रासायनिक संकेतों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं।

टीम ने बैलून फ्लावर के पूर्ण आनुवंशिक कोड को स्कैन करके चालकोन सिंथेज़ के लिए कोड करने वाले जीन के प्रत्येक उदाहरण को खोजने से शुरुआत की। उन्होंने बीस विशिष्ट जीन की पहचान की, जिन्हें उन्होंने एक से बीस तक नाम दिया। ये जीन बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए नहीं हैं; वे पौधे के नौ गुणसूत्रों (chromosomes) पर असमान रूप से फैले हुए हैं, जिनमें गुणसूत्र एक, दो और तीन पर भारी सांद्रता है। कुछ गुणसूत्रों पर, जीन घने समूहों में एक साथ क्लस्टर किए गए हैं, जो यह सुझाव देते हैं कि उन्हें तब बनाया गया था जब जीनोम के कुछ हिस्सों को पौधे के विकासवादी इतिहास के दौरान कॉपी और पेस्ट किया गया था। यह दोहराव (duplication) का पैटर्न ही मुख्य कारण प्रतीत होता है कि बैलून फ्लावर के पास इस जीन की इतनी सारी प्रतियां हैं, न कि पूरे जीनोम का दोगुना होना, जैसा कि कुछ अन्य पौधों की प्रजातियों में होता है।

जब शोधकर्ताओं ने उन प्रोटीनों का बारीकी से अध्ययन किया जो ये जीन बनाते हैं, तो उन्होंने पाया कि अधिकांश जल-प्रेमी (water-loving) अणु हैं जिन्हें कोशिका के तरल भाग के भीतर काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, हालांकि कुछ के कोशिका की बाहरी सीमा के पास या ऊर्जा पैदा करने वाले क्लोरोप्लास्ट के अंदर कार्य करने की भविष्यवाणी की गई है। बैलून फ्लावर के जीनों की अन्य पौधों, जैसे कि मॉडल प्लांट एराबिडोप्सिस (Arabidopsis) और औषधीय जिनसेंग (ginseng) के साथ तुलना करते हुए, टीम ने पाया कि बैलून फ्लावर के जीन दो मुख्य विकासवादी समूहों में आते हैं। एक समूह अन्य कई पौधों में पाए जाने वाले मानक द्वारपाल एंजाइमों के बहुत समान दिखता है, जिसमें एक संक्षिप्त और कुशल संरचना होती है। दूसरा समूह, हालांकि, थोड़ा अलग आकार का है, जिसमें सिरों पर अतिरिक्त विस्तार हैं जो प्रोटीन को अधिक लंबा बनाते हैं। यह संरचनात्मक अंतर बताता है कि जबकि सभी बीस जीन फ्लेवोनोइड्स बनाने की प्रक्रिया शुरू कर सकते हैं, उनके पास विशिष्ट भूमिकाएं या थोड़े अलग दक्षता स्तर हो सकते हैं।

अध्ययन ने प्रत्येक जीन से ठीक पहले स्थित नियंत्रण स्विचों का भी परीक्षण किया, जिन्हें प्रमोटर (promoters) कहा जाता है। ये स्विच निर्धारित करते हैं कि कोई जीन कब सक्रिय होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये स्विच उन निर्देशोंों से भरे हुए हैं जो तनाव और हार्मोन के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं। विशेष रूप से, उन्होंने कई संकेतों की पहचान की जो मिथाइल जैस्मोनेट (methyl jasamate) के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं, जो एक प्राकृतिक पादप हार्मोन है जो अक्सर रक्षा की आवश्यकता या औषधीय यौगिकों के उत्पादन का संकेत देता है। उन्होंने जिबरेलिन (gibberellin), ऑक्सिन (auxin) और सैलिसिलिक एसिड (salicylic acid) जैसे अन्य हार्मोन के साथ-साथ सूखे, ठंड और प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया करने वाले तत्वों के लिए भी संकेतों को पाया। इन स्विचों की यह जटिल व्यवस्था यह संकेत देती है कि पौधे के पास अपने वर्तमान वातावरण और जरूरतों के आधार पर एंजाइम के सटीक संस्करण को तय करने के लिए एक परिष्कृत प्रणाली है।

यह देखने के लिए कि ये जीन वास्तव में कैसे व्यवहार करते हैं, शोधकर्ताओं ने युवा बैलून फ्लावर के पौधों को विभिन्न हार्मोन दिए और आठ प्रतिनिधि जीनों की गतिविधि को मापा। परिणामों ने विशेषज्ञता का एक स्पष्ट पैटर्न दिखाया। जब पौधों पर मिथाइल जैस्मोनेट का छिड़काव किया गया, तो परीक्षण किए गए अधिकांश जीन अत्यधिक सक्रिय हो गए, जिससे पुष्टि हुई कि यह हार्मोन फ्लेवोनोइड उत्पादन लाइन के लिए एक शक्तिशाली ट्रिगर है। हालांकि, अन्य हार्मोन के प्रति प्रतिक्रिया बहुत विविध थी। कुछ जीन जिबरेलिन या ऑक्सिन के संपर्क में आने पर मजबूती से सक्रिय हुए, जबकि अन्य शांत रहे या केवल सैलिसिलिक एसिड के प्रति प्रतिक्रिया दी। एक विशेष जीन ने, किसी भी उपचार के बावजूद गतिविधि में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं दिखाया, जिससे पता चलता है कि इसकी एक निरंतर, आधारभूत भूमिका हो सकती है बजाय एक प्रतिक्रियाशील भूमिका के।

यह कार्य बैलून फ्लावर में चालकोन सिंथेज़ परिवार का पहला पूर्ण मानचित्र प्रदान करता है, जो एक ऐसी प्रणाली को प्रकट करता है जो मजबूत और लचीली दोनों है। बीस जीनों की उपस्थिति, जो मुख्य रूप से खंडीय दोहराव (segmental duplication) के माध्यम से निर्मित हुई है, पौधे को फ्लेवोनोइड्स के उत्पादन को प्रबंधित करने के लिए एक समृद्ध टूलकिट प्रदान करती है। तथ्य यह है कि विभिन्न जीन विभिन्न हार्मोनल संकेतों के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं, इसका अर्थ है कि पौधा अपनी उत्पादन क्षमता को सूक्ष्मता से नियंत्रित कर सकता है, चाहे वह हमले के अधीन हो, तेजी से बढ़ रहा हो, या बस अपने दैनिक कार्यों को बनाए रख रहा हो। इस आनुवंशिक परिदृश्य को समझकर, वैज्ञानिकों के पास अब इस मूल्यवान पौधे में औषधीय यौगिकों को बढ़ाने के उद्देश्य से भविष्य के अध्ययनों के लिए एक ठोस आधार है, जो संभावित रूप से इसके उपचार गुणों के उपयोग और खेती के बेहतर तरीकों की ओर ले जा सकता है।