Floral-bud transformation enables rapid assessment of NaD1- associated Fusarium wilt resistance in tomato
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक वैक्यूम-असिस्टेड फ्लोरल-बड ट्रांसफॉर्मेशन विधि ने सफलतापूर्वक ट्रांसजेनिक टमाटर के पौधे उत्पन्न किए जो डिफेन्सिन NaD1 को व्यक्त करते हैं, जिन्होंने जड़ों में स्थानीयकृत ऑक्सीडेटिव सुदृढ़ीकरण और प्ररोह (शूट्स) में प्रकाश संश्लेषक कार्य के संरक्षण को शामिल करते हुए एक ऊतक-समन्वित रक्षा तंत्र स्थापित करके *Fusarium oxysporum* f. sp. *lycopersici* के प्रति टिकाऊ प्रतिरोध प्रदर्शित किया।
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टमाटर दुनिया की सबसे प्रिय फसलों में से एक हैं, जिन्हें बगीचों और विशाल खेतों, दोनों में उगाया जाता है, फिर भी वे मिट्टी में छिपे एक निरंतर शत्रु का सामना करते हैं। यह शत्रु 'फ्यूसेरियम ऑक्सीस्पोरम' (Fusarium oxysporum) नामक एक कवक (फंगस) है, जो पौधे की जड़ों पर आक्रमण करता है और इसके जल-वाहक वाहिकाओं के माध्यम से ऊपर की ओर बढ़ता है, जो अनिवार्य रूप से टमाटर के पौधे को अंदर से ही घोंट देता है। यह जिस बीमारी का कारण बनता है, जिसे फ्यूसेरियम विल्ट (Fusarium wilt) के रूप में जाना जाता है, वह पत्तियों को पीला कर देती है, उन्हें मुरझा देती है, और पूरी फसल को नष्ट कर सकती है। किसान लंबे समय से फसल चक्रण और रसायनों के माध्यम से इससे लड़ने की कोशिश करते रहे हैं, लेकिन यह कवक जिद्दी है; यह वर्षों तक मिट्टी में जीवित रहता है और टमाटर के पौधे के पास मौजूद कुछ प्राकृतिक रक्षा प्रणालियों को हराने के लिए तेजी से विकसित होता है। वैज्ञानिक एक अधिक टिकाऊ समाधान की तलाश में थे, और उन्होंने वनस्पति जगत के अपने स्वयं के रासायनिक भंडार की ओर देखा। एक आशाजनक उम्मीदवार एक छोटा प्रोटीन है जिसे 'डिफेंसिन' (defensin) कहा जाता है, जो एक प्राकृतिक एंटीबायोटिक की तरह कार्य करता है। तंबाकू के पौधों में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले इस प्रोटीन के एक विशिष्ट संस्करण, जिसे NaD1 के रूप में जाना जाता है, में कवक की कोशिका भित्तियों में छेद करने की क्षमता होती है, जिससे वे फट जाती हैं और मर जाती हैं। शोधकर्ता यह सवाल पूछ रहे थे कि क्या वे टमाटर के पौधे को इस प्रोटीन को स्वयं बनाने के लिए सिखा सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से उसे इस कवक के विरुद्ध एक अंतर्निहित ढाल मिल सके।
ईरान के गिलान विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए हाथ बढ़ाया, लेकिन उन्हें एक व्यावहारिक बाधा का सामना करना पड़ा: नए, आनुवंशिक रूप से संशोधित पौधे बनाना आमतौर पर एक धीमी, श्रमसादा प्रक्रिया होती है जिसमें जेल के जार में छोटे पौधों के हिस्सों को उगाना शामिल होता है। काम को तेज करने के लिए, टीम ने एक तेज़ तरीका विकसित किया जो जारों को पूरी तरह से छोड़ देता है। इसके बजाय, उन्होंने पहले से ही फूल रहे स्वस्थ टमाटर के पौधों को लिया और उनके फूलों की कलियों पर NaD1 प्रोटीन के लिए आनुवंशिक निर्देशों वाला एक तरल पदार्थ धीरे से लगाया। फिर उन्होंने इन पौधों को एक वैक्यूम चैंबर (निर्वात कक्ष) में रखा, यह एक ऐसी तकनीक है जो तरल को पौधे के ऊतकों में गहराई तक सोखने में मदद करती है, जिससे आनुवंशिक निर्देश सीधे विकसित हो रहे बीजों तक पहुँच जाते हैं। इस दृष्टिकोण ने उन्हें पारंपरिक तरीकों की तुलना में बहुत तेज़ी से नए पौधे उत्पन्न करने की अनुमति दी, जिससे उन्हें यह देखने का मौका मिला कि क्या नया गुण वास्तव में काम करता है।
शोधकर्ताओं ने टमाटर की एक ऐसी किस्म को चुना जो विल्ट के प्रति अत्यधिक संवेदनशील थी, ताकि वे यह सुनिश्चित कर सकें कि जो भी सुधार वे देखते हैं वह उनके नए तरीके के कारण स्पष्ट रूप से दिखाई दे और किसी मौजूदा प्रतिरोध के कारण नहीं। नए पौधों को उगाने के बाद, उन्होंने उनकी स्क्रीनिंग की यह देखने के लिए कि किन पौधों ने सफलतापूर्वक आनुवंशिक निर्देशों को अवशोषित किया है। उन्होंने पाया कि हालांकि कई पौधों में नया जीन मौजूद था, लेकिन केवल कुछ ही वास्तव में NaD1 प्रोटीन का उत्पादन कर रहे थे। टीम ने फिर इन विशिष्ट पौधों को विल्ट कवक की एक केंद्रित खुराक के संपर्क में लाया। परिणाम आश्चर्यजनक थे। साधारण टमाटर के पौधे, जो एक नियंत्रण समूह (कंट्रोल ग्रुप) के रूप में कार्य कर रहे थे, जल्द ही रोग का शिकार हो गए। एक महीने के भीतर, वे गंभीर रूप से मुरझा गए, उनके तने अंदर से गहरे भूरे और काले हो गए, और उनकी पत्तियां पीली होकर मर गईं। इसके विपरीत, वे पौधे जो NaD1 प्रोटीन बना रहे थे, स्वस्थ रहे। एक विशिष्ट पौधे ने, जिसे शोधकर्ताओं ने TSV4129-2 नाम दिया, बीमारी के लगभग कोई लक्षण नहीं दिखाए। जबकि साधारण पौधों में बीमारी की गंभीरता का स्कोर लगभग 90 प्रतिशत था, यह प्रतिरोधी पौधा केवल 6 प्रतिशत पर रहा।
अंतर केवल इस बात में नहीं था कि पौधे बाहर से कैसे दिखते थे; आंतरिक क्षति भी बहुत अलग थी। जब शोधकर्ताओं ने बीमार पौधों के तनों को काटा, तो उन्होंने पाया कि कवक ने तने में काफी दूरी तक जल-वाहक वाहिकाओं को गहरा भूरा कर दिया था। प्रतिरोधी पौधे में, यह भूरापन आधार के पास एक बहुत ही छोटे हिस्से तक सीमित था, जो 15 सेंटीमीटर से भी कम था, जिससे बीमारी को ऊपर की ओर फैलने से प्रभावी रूप से रोका जा सका। शोधकर्ताओं ने समय के साथ पौधों द्वारा झेली गई कुल बीमारी को मापा और पाया कि प्रतिरोधी पौधे में साधारण पौधों की तुलना में लगभग बारह गुना कम बीमारी की प्रगति हुई। यह सुझाव देता है कि NaD1 प्रोटीन सफलतापूर्वक कवक से लड़ रहा था, संभवतः कवक की कोशिकाओं को बाधित करके जब वे पौधे की जड़ों पर आक्रमण करने की कोशिश कर रहे थे।
इस खोज को और भी दिलचस्प बनाने वाली बात यह थी कि संक्रमण के दौरान पौधे के शरीर ने अलग-अलग हिस्सों में कैसी प्रतिक्रिया दी। शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए कि पौधे की रक्षा रणनीति क्या है, जड़ों और पत्तियों का अलग-अलग विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि जड़ें, जो कवक के संपर्क का पहला बिंदु थीं, फेनोलिक यौगिकों (phenolic compounds) के भारी जमाव को प्रदर्शित करती हैं, जो प्राकृतिक रसायन हैं जिनका उपयोग पौधे घुसपैठियों को रोकने और उनसे लड़ने के लिए करते हैं। साथ ही, जड़ों में तनाव के लक्षण भी दिखे, जो युद्ध की अग्रिम पंक्ति पर लड़ने के दौरान अपेक्षित है। हालाँकि, पत्तियों ने एक अलग कहानी सुनाई। संक्रमण मिट्टी में होने के बावजूद, प्रतिरोधी पौधे की पत्तियाँ उल्लेखनीय रूप से स्वस्थ रहीं। उन्होंने क्लोरोफिल को बनाए रखा, जो भोजन बनाने के लिए आवश्यक है, और उनकी कोशिका झिल्लियाँ बरकरार रहीं, जिससे महत्वपूर्ण तरल पदार्थों का रिसाव रुक गया। साधारण पौधों में, पत्तियाँ बिखर रही थीं, जिनमें क्षति और रिसाव का स्तर उच्च था।
यह विरोधाभास बताता है कि पौधे की रक्षा पूरे शरीर में एक समान प्रतिक्रिया नहीं थी। इसके बजाय, ऐसा लग रहा था कि पौधे ने अपनी रासायनिक युद्ध को जड़ों में केंद्रित किया जहाँ दुश्मन हमला कर रहा था, जबकि साथ ही अपने पत्तों को उस तनाव और क्षति से बचाया जो आमतौर पर ऐसे संक्रमण के साथ आती है। प्रतिरोधी पौधे की पत्तियों में हाइड्रोजन पेरोक्साइड का उच्च स्तर पाया गया, जो एक ऐसा अणु है जिसका उपयोग पौधे अक्सर खतरे के संकेत के रूप में करते हैं, लेकिन बीमार पौधों के विपरीत, इस संकेत से पत्ती की कोशिकाओं का विनाश नहीं हुआ। पौधा अपनी प्रकाश संश्लेषण (photosynthesis) मशीनरी को सुचारू रूप से चलाने में सफल रहा जबकि जड़ों ने मोर्चा संभाले रखा।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि टमाटर में NaD1 जीन को पेश करने से फ्यूसेरियम विल्ट के खिलाफ मजबूत सुरक्षा मिल सकती है, लेकिन शोधकर्ता सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि यह एक शुरुआत है, अंतिम समाधान नहीं। उन्होंने देखा कि सुरक्षा का स्तर उनके द्वारा बनाए गए विभिन्न पौधों के बीच भिन्न था; जिस पौधे में NaD1 जीन का सबसे मजबूत संकेत था, वह सबसे अधिक प्रतिरोधी था, लेकिन कोई भी पूरी तरह से रोग-मुक्त नहीं था। यह कार्य यह भी रेखांकित करता है कि इन पौधों को बनाने के लिए उनके द्वारा उपयोग की गई विधि एक व्यवहार्य, तेज़ विकल्प है। हालांकि यह अध्ययन अभी तक यह साबित नहीं कर पाया है कि प्रोटीन पौधे के माध्यम से कैसे चलता है या यह मिट्टी के भीतर कवक के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है, लेकिन यह एक ऐसे पौधे की स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है जो प्रभावी ढंग से मुकाबला कर सकता है। ये निष्कर्ष एक ऐसे भविष्य की आशाजनक झलक देते हैं जहाँ टमाटर इस विनाशकारी मिट्टी-जनित रोग के खिलाफ खुद को सुरक्षित रख सकेंगे, जिससे रासायनिक उपचारों की आवश्यकता कम होगी और फसल सुरक्षित होगी।
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