Lower anther culture response in indica than in japonica rice is associated with a callus- induction bottleneck and early browning of sporophytic anther tissues

पौधों के प्रजनन की दुनिया में, गति अक्सर सबसे मूल्यवान संसाधन होती है। किसान और वैज्ञानिक दोनों ही नई चावल की किस्में विकसित करना चाहते हैं जो अधिक उत्पादक, लचीली या पौष्टिक हों, लेकिन नए उपभेदों (strains) को बनाने का पारंपरिक मार्ग धीमा है। इसमें आमतौर पर पौधों के कई पीढ़ियों तक क्रॉसिंग करने और उनकी संतानों के एक स्थिर आनुवंशिक संरचना में बसने का इंतजार करना पड़ता है। इस प्रक्रिया को छोटा करने के लिए, शोधकर्ता 'एन्थर कल्चर' (anther culture) नामक तकनीक का उपयोग करते हैं। यह विधि चावल के फूल के नर प्रजनन अंगों—एन्थर्स (anthers)—को लेती है और उन्हें प्रयोगशाला की डिश में एक नए पौधे के रूप में बढ़ने के लिए प्रेरित करती है। क्योंकि ये पौधे निर्देशों के एक एकल सेट से शुरू होते हैं, इसलिए इन्हें केवल एक पीढ़ी में एक पूरी तरह से समान रेखा बनाने के लिए दोगुना किया जा सकता है, जिससे वर्षों के इंतजार को दरकिनार किया जा सकता है। हालाँकि, इस शक्तिशाली उपकरण में एक जिद्दी खामी है: यह कुछ प्रकार के चावल के लिए खूबसूरती से काम करता है लेकिन दूसरों के लिए बुरी तरह विफल हो जाता है। विशेष रूप से, यह 'जापोनिका' (japonica) किस्मों के लिए अच्छा काम करता है, जो जापान और उत्तरी एशिया के हिस्सों में आम हैं, लेकिन यह 'इंडिका' (indica) किस्मों के साथ संघर्ष करता है, जो उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में अरबों लोगों का मुख्य भोजन हैं।

वर्षों से, वैज्ञानिक जानते थे कि चावल के पौधे की आनुवंशिक पृष्ठभूमि यह तय करती है कि यह प्रयोगशाला वाली तकनीक सफल होगी या नहीं, लेकिन वे यह नहीं जानते थे कि प्रक्रिया ठीक कहाँ टूट जाती है। क्या समस्या यह है कि एन्थर के भीतर की नन्ही कोशिकाएं बढ़ने से मना कर देती हैं? क्या वे बढ़ना शुरू करती हैं लेकिन फिर एक पूर्ण पौधे में बदलने में विफल रहती हैं? या वे गलत रंग या स्वास्थ्य के पौधे बनाती हैं? होक्काइडो विश्वविद्यालय और राकुनो गाकुएन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस रहस्य को सुलझाने के लिए वास्तविक समय में इस प्रक्रिया को देखते हुए काम शुरू किया। उन्होंने उच्च प्रदर्शन करने वाले जापोनिका चावल की तुलना कम प्रदर्शन करने वाले इंडिका चावल से की, और यह देखने के लिए विशेष आनुवंशिक उपकरणों का उपयोग किया कि डीएनए के कौन से हिस्से विफलता के लिए जिम्मेदार थे। उनके अन्वेषण से पता चला कि यह बाधा कोई एकल घटना नहीं है बल्कि विकास का एक विशिष्ट, प्रारंभिक चरण है, और उन्होंने एक दृश्य चेतावनी संकेत की खोज की जो पौधे के नष्ट होने से बहुत पहले ही विफलता की भविष्यवाणी कर देता है।

शोधकर्ताओं ने समान प्रयोगशाला परिस्थितियों में तीन प्रकार के जापोनिका चावल और दो प्रकार के इंडिका चावल का परीक्षण करके शुरुआत की। उन्होंने वृद्धि को प्रेरित करने के लिए डिज़ाइन किए गए पोषक तत्वों से भरपूर जेल पर एन्थर्स रखे और कई हफ्तों तक देखते रहे कि क्या होता है। परिणाम स्पष्ट थे। जापोनिका किस्मों ने एक स्वस्थ मात्रा में 'कैलस' (callus) का उत्पादन किया, जो अविभेदित कोशिकाओं का एक समूह है जो एक नए पौधे की नींव बनाता है। इसके विपरीत, इंडिका किस्मों ने इस शुरुआती सामग्री का बहुत कम उत्पादन किया। हालाँकि, एक बार जब कैलस बन गया, तो कहानी बदल गई। उस कैलस की एक पूर्ण पौधे में बदलने की क्षमता, और उस पौधे के हरे और स्वस्थ होने की संभावना, दोनों समूहों के बीच काफी समान थी। अंतर पूरी तरह से पहले चरण में था: कैलस को बनने देने में। इंडिका चावल के लिए, प्रक्रिया शुरू होने से पहले ही रुक गई।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, टीम ने सत्तावन अद्वितीय चावल की लाइनों के संग्रह की ओर रुख किया। ये लाइनें उच्च प्रदर्शन करने वाले जापोनिका चावल में कम प्रदर्शन करने वाले इंडिका चावल के छोटे, विशिष्ट डीएनए खंडों को बदलकर बनाई गई थीं। इसने वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति दी कि इंडिका जीनोम के व्यक्तिगत हिस्से इस प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करते हैं, बिना बाकी आनुवंशिक अंतरों के शोर के। उन्होंने पाया कि कैलस बनाने की क्षमता और एक पौधे को पुनर्जीवित करने की क्षमता अलग-अलग आनुवंशिक कारकों द्वारा नियंत्रित होती है। एक लाइन में कैलस बनने की दर बहुत कम हो सकती है, लेकिन यदि एक बार बन जाए, तो वह उस कैलस को पौधे में बदलने में बहुत अच्छी हो सकती है। इसके विपरीत, एक लाइन कई कैलस बना सकती है लेकिन उन्हें पौधों में बदलने में विफल हो सकती है। इस स्वतंत्रता का अर्थ था कि इंडिका चावल के लिए प्राथमिक बाधा बाद के चरणों में कौशल की कमी नहीं थी, बल्कि प्रक्रिया शुरू करने में मौलिक अक्षमता थी। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि इंडिका एन्थर कल्चर की कम सफलता दर मुख्य रूप से एक "कैलस-इंडक्शन बॉटलनैक" (callus-induction bottleneck) है, जहाँ प्रक्रिया बिल्कुल शुरुआत में ही अटक जाती है।

जबकि आनुवंशिक विश्लेषण ने "क्या" को समझाया, टीम ने एन्थर के भीतर भौतिक परिवर्तनों को देखकर "कैसे" को भी समझना चाहा। उन्होंने 'ब्राउनिंग' (browning) नामक घटना पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ ऊतक गहरा और मृत हो जाता है, जो प्लांट टिश्यू कल्चर में एक सामान्य समस्या है जो अक्सर विफलता का संकेत देती है। उन्होंने उच्च प्रदर्शन करने वाले जापिका चावल और कम प्रदर्शन करने वाले इंडिका चावल के एन्थर्स को दिन-प्रतिदिन देखा। अंतर नाटकीय था। इंडिका एन्थर्स बहुत जल्दी भूरे होने लगे, अक्सर डिश में रखे जाने के पहले सप्ताह के भीतर ही। यह भूरापन उस बिंदु से शुरू हुआ जहाँ एन्थर को पौधे से काटा गया था, फिलामेंट जुड़ाव के पास, और तेजी से आसपास के ऊतकों में फैल गया। चौथे सप्ताह तक, इंडिका एन्थर्स लगभग पूरी तरह से गहरे और मृत हो चुके थे। इसके विपरीत, जापोनिका एन्थर्स लंबे समय तक हल्के और स्वस्थ रहे, और उनमें से कई ने सफलतापूर्वक सफेद कैलस के गुच्छे पैदा किए जो एक नए पौधे के बनने का संकेत देते थे।

शोधकर्ताओं ने इन भूरे ऊतकों के अंदर देखने के लिए सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया और घटनाओं का एक स्पष्ट क्रम पाया। भूरापन उन नन्हे पराग कणों (pollen grains) के अंदर शुरू नहीं हुआ जहाँ नया पौधा विकसित होना चाहिए। इसके बजाय, यह 'स्पोरोफाइटिक' (sporophytic) ऊतकों में शुरू हुआ, जो पराग कणों को घेरने वाली संरचनात्मक दीवारें और सहायक कोशिकाएं हैं। जैसे ही बाहरी ऊतक मृत और भूरे हुए, अंधेरा अंदर की ओर फैला, और अंततः पराग कणों को भी घेर लिया। इंडिका चावल में, यह क्षय इतनी तेजी से हुआ कि पराग कणों को जागने और बढ़ने का मौका ही नहीं मिला। टीम ने नोट किया कि किसी भी एन्थर से कभी नए पौधे नहीं निकले जो पूरी तरह से भूरा हो गया हो। यह सुझाव देता है कि सहायक ऊतकों की तीव्र मृत्यु एक प्रतिकूल वातावरण बनाती है जो आवश्यक कैलस बनने से रोकती है।

अध्ययन ने यह साबित नहीं किया कि भूरापन स्वयं विफलता का सीधा कारण है, लेकिन यह एक मजबूत संबंध का सुझाव देता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि भूरापन ठीक वहीं से शुरू हुआ जहाँ एन्थर को काटा गया था, जो कि शारीरिक चोट का एक स्थान है। जब पौधे के ऊतक को काटा जाता है, तो वे अक्सर ऐसे रसायनों को उत्पन्न करके प्रतिक्रिया करते हैं जो गहरे, विषाक्त यौगिकों में बदल सकते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जिसे प्रयोगशाला के तनाव द्वारा तेज किया जा सकता है। यह संभव है कि इंडिका चावल इस घाव की प्रतिक्रिया के प्रति अधिक संवेदनशील है, जिससे इसके ऊतक नए पौधे के विकास का समर्थन करने के लिए बहुत जल्दी खराब हो जाते हैं। ये निष्कर्ष चावल के प्रजनन में सुधार के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। पौधे के विकास के जटिल बाद के चरणों को ठीक करने के बजाय, ब्रीडर्स इस शुरुआती भूरापन को रोकने पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं। यदि वे सहायक ऊतकों को बस कुछ और दिनों के लिए जीवित और स्वस्थ रख सकें, तो इंडिका चावल अंततः उस बाधा को पार कर पाएगा और वे नई, लचीली किस्में पैदा कर पाएगा जिनकी दुनिया को आवश्यकता है।