Booster genes and Photosynthesis : ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाळेचे जैवऊर्जा नवीनत केंद्र (CBI) आणि इल्लिनॉइज अर्बाना कॅम्पेन विद्यापीठातील आधुनिक जैवऊर्जा आणि जैवउत्पादने नवीनता केंद्र (CABBI) मधील संशोधकांच्या गटाने एकत्रितपणे अभ्यास करण्यात आला. त्यात पॉपलर वृक्षांमधील प्रकाश संश्‍लेषणाला लक्षणीयरीत्या वाढविणाऱ्या जनुकाचा शोध घेण्यात आला.

या जनुकाला बूस्टर असे नाव देण्यात आले असून, त्यामुळे सामान्य स्थितीमध्ये झाडाची उंची ३० टक्क्यांनी वाढते, तर हरितगृहात नियंत्रित वातावरणामध्ये हीच उंची २०० टक्क्यांनी वाढत असल्याचे दिसून आले आहे. हे लक्षात येताच संशोधकांच्या याच बूस्टर जनुकांवर लक्ष केंद्रित केले. अर्बिडॉप्सिस वनस्पतीचे जैवभार वाढत असल्याचे दिसताच त्याचे मोठ्या क्षेत्रावर अन्य पिकांमध्ये वापर करण्याचे प्रयोग सुरू झाले आहेत.

पॉपलर वृक्ष : जैवऊर्जेचा मुख्य स्रोत

पॉपलर वृक्ष किंवा ब्लॅक कॉटनवूड ट्री (शा. नाव ः Populus trichocarpa) ही मेक्सिकोतील बाजा कॅलिफोर्निया सारख्या प्रदेशातही तग धरणारी प्रजाती असून, उत्तर कॅनडामध्येही तिची वाढ होते. जैवऊर्जा आणि जैव उत्पादनांसाठी सर्वांत महत्त्वाची प्रजाती म्हणून तिच्याकडे पाहिले जाते. त्यामध्ये बूस्टर हे जनुक संपूर्णतः बदल घडवून आणणारे आहे. मूलतः तीन वेगळ्या केलेल्या जनुकांपासून त्यांची संरचना बनलेली असून, दीर्घ उत्क्रांतीच्या काळातही कोणत्याही बदलाशिवया पॉपलर वृक्षामध्ये तशीच साठवली गेली आहे.

हे जनुक प्रकाश संश्‍लेषणामध्ये मोलाची भूमिका पार पाडते. संपूर्णतः बदल घडविण्याची क्षमता असलेल्या या जनुकांना कायमेरिक जीन्स म्हणून ओळखले जाते. त्यांचा मूळस्रोत एकमेव असून, वनस्पतीमध्ये उत्क्रांतीच्या प्रक्रियेमध्ये नवीन वातावरणाशी जुळवून घेण्याची क्षमता त्यांच्यामुळे निर्माण होत असल्याचे मानले जाते. शक्यतो अशा जनुकांची मूलस्रोत हा एकमेव असतो.

मात्र बूस्टरच्या बाबत ओक रिज च्या संशोधकांनी तीन वेगळे डीएनए मूलस्रोत असल्याचे दिसून आले. त्यातील एक भाग पॉपलरच्या मुळांमध्ये राहणाऱ्या एका जिवाणूंकडून आला आहे. दुसरा भाग हा पॉपलरवर रोग निर्माण करणाऱ्या बुरशींकडून आला आहे. (याच बुरशीची शेती मुंग्या त्यांच्या वसाहतीमध्ये करत असतात.) तिसरा भाग वनस्पतीच्या हरितद्रव्यामध्ये मोठ्या प्रमाणात असलेल्या रुबिस्को या प्रथिनांच्या उपांगातून आलेला दिसतो.

वनस्पतीच्या हरितद्रव्यामधील (क्लोरोप्लास्ट) पेशींच्या संरचना ही प्रकाश ऊर्जेच्या साह्याने कर्बवायू आणि पाणी यापासून ग्लुकोज तयार करण्यासाठी महत्त्वाची आहे. त्यातील रुबिस्को हे प्रथिन हवेतून घेतलेल्या कार्बन डायऑक्साइडला पकडून ठेवण्याचे काम करते. या रुबिस्को प्रथिनांचे प्रमाण वनस्पतीमध्ये वाढवणे शक्य झाल्यास हवेतील कर्बवायू अधिक शोषला जाईल आणि त्यातून अधिक उत्पादन मिळवणे शक्य होईल. मात्र संशोधकांच्या गटाला पॉपलर वृक्षामध्ये नैसर्गिकरीत्याच हे कार्य करणारे जनुक सापडले आहे. हे बूस्टर जनुक या वृक्षाशी संबंधित आणि आतमध्येच निवास करणाऱ्या एका जिवाणूमध्ये आणि बुरशींच्या गुणसूत्रामध्ये असून, ते कार्यान्वित झाल्यास प्रकाश संश्‍लेषणाला वेग देण्याचे काम करते.

कृषी क्षेत्रासाठी फायदा

जेव्हा शास्त्रज्ञांनी पॉपलर वृक्षातील बूस्टर जनुकांना अधिक कार्यान्वित केले, तेव्हा त्यांच्यातील रुबिस्को या प्रथिनाचे प्रमाण ६२ टक्क्यांनी वाढले. त्यामुळे पानांकडून कार्बन डायऑक्साइडचे शोषण २५ टक्क्यांनी वाढले. त्यामुळे प्रकाश संश्‍लेषणामध्ये लक्षणीय वाढ झाली. या सर्वांचा परिणाम नियंत्रित वातावरणातीमध्ये २०० टक्के उंची वाढीच्या स्वरूपामध्ये दिसून आला. सामान्य वातावरणातील पॉपलर झाडांमध्ये कार्यान्वित केलेल्या या बूस्टर जनुकामुळे ३७ टक्क्यांनी उंची वाढली.

त्यांच्या फांद्याची घनता ही ८८ टक्के अधिक राहिली. म्हणजेच वनस्पतीच्या जैवभारामध्ये मोठी वाढ झाली. संशोधनाचे हे निष्कर्ष जर्नल डेव्हलपमेंटल सेलमध्ये प्रकाशित करण्यात आले आहेत. पिकांमध्ये अशीच वाढ मिळविण्यासाठी प्रारूप वनस्पती अर्बिडॉप्सिसमध्ये प्रयोग करण्यात आले. त्यातही जैवभारामध्ये सुमारे ८८ टक्क्यांची वाढ आढळली, तर बियांच्या उत्पादनामध्ये ५० टक्के वाढ मिळाली. म्हणजेच हे निष्कर्ष अन्य पिकांच्या जैवभार आणि उत्पादन वाढीसाठी लागू असल्याचे स्पष्ट झाले.

संशोधकांचे मत

पॉपलर आणि अर्बिडॉप्सिस या वनस्पती सी३ प्रकारच्या मानल्या जातात. या वर्गामध्ये सोयाबीन, भात, गहू, ओट्‍स अशी अनेक खाद्यपिके येतात. कोणत्याही अतिरीक्त निविष्ठांशिवाय (उदा. खते, पाणी) जैवभार किंवा पिकांचे उत्पादन वाढवणे शक्य होणार आहे. त्याविषयी अधिक माहिती देताना ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाळेचे जैवऊर्जा नवीनत केंद्राचे (CBI) संचालक जेरी तुस्कान म्हणाले, की अधिक उत्पादनक्षम, बहुवार्षिक प्रकारच्या जैवऊर्जा पिकांच्या निर्मितीतून कमी क्षेत्रामध्ये लागवड करूनही अपेक्षित उत्पादन घेणे शक्य होईल. परिणामी, आज जैव ऊर्जा पिकांच्या वाढीचा ताण अन्नधान्य पिकांच्या क्षेत्रावर येत आहे, तो कमी होऊ शकेल. जैवऊर्जा अर्थव्यवस्थेला गती मिळून, ग्रामीण भागामध्ये रोजगार निर्मिती शक्य होईल.

इल्लिनॉइज अर्बाना कॅम्पेन विद्यापीठातील स्टिफन लॉंग हे वनस्पती प्रकाश संश्‍लेषण क्षेत्रातील तज्ज्ञ असून, त्यांच्या मते, या जनुकामुळे प्रकाश संश्‍लेषणाला चालना मिळून, पिकांच्या उत्पादनामध्ये मोठी वाढ मिळवणे शक्य होणार आहे. आम्ही हेच निष्कर्ष अन्य नियमित पिकांमध्ये कशा प्रकारे पुनरुक्त होतील, याबाबत अधिक अभ्यास करत आहोत. त्यासाठी एकापेक्षा अधिक ठिकाणी व अनेक पिकांवर वाढीच्या वेगवेगळ्या परिस्थितीमध्ये चाचण्या घेतल्या जाणार आहेत.

जनुकीय संशोधनासाठी धोरणात्मक सहकार्य

अखाद्य, वेगाने वाढणारा बहुवार्षिक वृक्ष म्हणून पॉपलरवर ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाळेमध्ये अनेक वर्षांपासून अभ्यास केला जात आहेत. त्यांनी जंगली आणि लागवडीखाली अशा सुमारे १५०० पॉपलर झाडांचे नमुने घेऊन भौतिक गुणधर्म आणि जनुकीय संरचना मिळविली होती. या जनुकीय संरचनेमध्ये (GWAS,) २८ दशलक्षापेक्षा अधिक एकल न्युक्लिओटाइड पॉलिमॉर्फिझम व त्यातील जैविक मार्कर ओळखण्यात आले होते. त्यातून वनस्पतीच्या वाढ, कार्बन, नायट्रोजन आणि लिग्निनचे प्रमाण अशा वेगवेगळ्या गुणधर्माशी जोडलेल्या जनुकांचे स्थान शोधण्यास मदत होत आहे. हे अशा प्रकारचे अवाढव्य आणि पहिलेच काम होते.

इल्लिनॉइज अर्बाना कॅम्पेन विद्यापीठातील आधुनिक जैवऊर्जा आणि जैव उत्पादने नवीनता केंद्र (CABBI)मधील संशोधकांना सोबत घेऊन अधिक मूलद्रव्यी विश्‍लेषण करून प्रकाश संश्‍लेषणासाठी कारणीभूत अशा दोन जनुके शोधली. ही जनुके कडाक्याचा सूर्यप्रकाश आणि येणारी सावली यांच्याशी जुळवून घेऊन प्रकाश संश्‍लेषणाच्या प्रक्रियेमध्ये महत्त्वाची ठरतात. या मूलद्रव्यीय विश्‍लेषणाचे काम करणाऱ्या बिरूक फेयिस्सा यांनी सांगितले, की संवर्धित कायमेरीक जनुके ही प्रामुख्याने अकार्यात्मक मानली जातात.

त्यावर उत्क्रांतीच्या आणि वनस्पतीच्या प्रक्रियेमध्ये फारसा परिणाम होत नाही. मात्र आमच्या अभ्यासामध्ये नेमके त्याच्या विरुद्ध स्थिती आढलली. आमच्या मुलद्रव्यीय आणि भौतिकीय अभ्यासामध्ये बूस्टर जनुके ही प्रकाश संश्‍लेषणाला चालना देण्याचे काम करत असल्याचे स्पष्ट झाले. या जनुकांमुळेच वनस्पती प्रकाशाची स्थिती कमी अधिक होत असतानाही अधिक चांगल्या व स्थिर प्रकारे प्रकाश संश्‍लेषणाचे काम करत असल्याचे दिसून आले.

संशोधन का महत्त्वाचे...

तुस्कान म्हणाले, की आजवर आपण प्रकाश संश्‍लेषणाची प्रक्रियेमध्ये सुधारणा करणे फारच अवघड असल्याचे मानत होतो. मात्र प्रत्यक्षात प्रकाश संश्‍लेषणाभोवती कार्यरत वनस्पतीमधील मूलद्रव्यीय यंत्रणा ही वनस्पतीच्या आसपासच्या वातावरणाच्या उत्क्रांत होण्याच्या टप्प्यावरच उत्क्रांत झालेली आहे. विशेषतः अन्य सूक्ष्मजीवांच्या गुणसूत्रातून वनस्पतीमध्ये आलेल्या किंवा गेलेल्या गुणसूत्रामुळे त्यांच्या जैविक प्रक्रियांमध्ये मूलभूत पातळीवरही बदल घडविण्याची क्षमता असल्याचे दिसून आले. या संशोधनामुळे नव्याच शास्त्रीय विचार प्रक्रियेला प्रारंभ होत आहे