पादप ऊतक और कोशिका संवर्धन तकनीकों के अनुप्रयोग (Applications of plant tissue and cells culture techniques)

अनुप्रयोग और उपलब्धियां (Applications and achievements)

ऊतक संवर्धन (Tissue culture) में पौधों की कोशिकाओं को एक अगार माध्यम (कैलस संवर्धन) पर कोशिकाओं के अपेक्षाकृत संगठित द्रव्यमान के रूप में या तरल माध्यम (निलंबन संवर्धन) में मुक्त कोशिकाओं और छोटे सेल द्रव्यमान के निलंबन के रूप में उगाना शामिल है। ऊतक संवर्धन का उपयोग कई प्रजातियों के वानस्पतिक गुणन (vegetative multiplication) और कुछ मामलों में वायरस-मुक्त पौधों (virus-free plants) की प्राप्ति के लिए किया जाता है। इसके संभावित अनुप्रयोग दैहिक संकर (somatic hybrids) के उत्पादन, अंगक (organelle) और कोशिकाद्रव्य (cytoplasm) स्थानांतरण, आनुवंशिक परिवर्तन (genetic transformation) और फ्रीज-प्रिजर्वेशन के माध्यम से जननद्रव्य (germplasm) भंडारण में हैं। सही पादप सामग्री, सही मीडिया और सही काम करने का माहौल होने पर ऊतक संवर्धन के माध्यम से फसल सुधार कम कठिन हो जाता है। जिन फसलों में ऊतक संवर्धन की प्रक्रिया अपनाई गई है, उनके कई फायदे हैं।

पादप ऊतक और कोशिका संवर्धन (plant tissue and cells culture) तकनीकों के विभिन्न अनुप्रयोग नीचे दिए गए हैं:

सूक्ष्म प्रवर्धन / क्लोनल प्रवर्धन (Micropropagation / clonal propagation)

क्लोनल प्रवर्धन से तात्पर्य व्यक्तिगत पौधों की आनुवंशिक रूप से समान प्रतियों के गुणन द्वारा अलैंगिक जनन (asexual reproduction) की प्रक्रिया से है। पौधों का वानस्पतिक प्रवर्धन (vegetative propagation) श्रम-गहन, कम उत्पादकता वाला और मौसमी होता है। पौधों के प्रवर्धन की ऊतक संवर्धन विधियों को 'सूक्ष्म प्रवर्धन (micropropagation)' कहते हैं, जिसमें उपयुक्त पोषक माध्यम पर शीर्ष प्ररोह (apical shoots), कक्षीय कलियों (axillary buds) और मेरिस्टेम (meristems) के संवर्धन का उपयोग किया जाता है। संवर्धित ऊतक में पौधों के पुनर्जनन (regeneration) का वर्णन मुराशीगे (Murashige) ने 1974 में किया था। फॉसार्ड (Fossard, 1987) ने सूक्ष्म प्रवर्धन के चरणों का विस्तृत विवरण दिया।

सूक्ष्म प्रवर्धन तीव्र है और इसे केले, सेब, नाशपाती, स्ट्रॉबेरी, इलायची, कई सजावटी पौधों (जैसे ऑर्किड) और अन्य महत्वपूर्ण पौधों के व्यवसायीकरण के लिए अपनाया गया है। निम्नलिखित कारणों से पारंपरिक अलैंगिक प्रवर्धन विधियों की तुलना में सूक्ष्म प्रवर्धन तकनीकों को प्राथमिकता दी जाती है:

• सूक्ष्म प्रवर्धन विधि में, एक वर्ष में लाखों क्लोनल पौधों को पुनर्जीवित करने के लिए केवल थोड़ी मात्रा में ऊतक की आवश्यकता होती है।
• सूक्ष्म प्रवर्धन का उपयोग कई प्रजातियों में रोग प्रतिरोधक क्षमता (resistance) विकसित करने की एक विधि के रूप में भी किया जाता है।
• इन विट्रो (In vitro) स्टॉक को जल्दी से बढ़ाया जा सकता है क्योंकि यह मौसम से स्वतंत्र है।
• मूल्यवान जननद्रव्य का दीर्घकालिक भंडारण संभव है।

सूक्ष्म प्रवर्धन को प्रभावित करने वाले कारक (Factors that affect micropropagation):

• जीनोटाइप (Genotype) और पौधे की शारीरिक स्थिति, उदाहरण के लिए, जोरदार अंकुरण वाले पौधे सूक्ष्म प्रवर्धन के लिए अधिक उपयुक्त होते हैं।
• संवर्धन माध्यम (culture medium) और संवर्धन का वातावरण जैसे प्रकाश, तापमान आदि। उदाहरण के लिए, प्ररोह (shoot) के प्रसार के लिए दिन में 16 घंटे और रात में 8 घंटे की रोशनी संतोषजनक है और विकास के लिए \(25^\circ C\) का तापमान इष्टतम है।

सूक्ष्म प्रवर्धन के लाभ (Benefits of micropropagation):

• मौसमी भिन्नताओं की परवाह किए बिना, वर्ष भर बेहतर क्लोनों (clones) का तेजी से गुणन किया जा सकता है।
• रोग मुक्त पौधों का गुणन, उदाहरण के लिए शकरकंद (Ipomea batatus) और कसावा (Manihot esculenta) के वायरस मुक्त पौधे।
• यौन रूप से प्राप्त बाँझ संकरों (sterile hybrids) का गुणन।
• यह एक लागत प्रभावी प्रक्रिया है क्योंकि इसके लिए न्यूनतम बढ़ने की जगह (growing space) की आवश्यकता होती है।

वायरस मुक्त पौधों का उत्पादन (Production of virus free plants)

पौधों में वायरल रोग आसानी से स्थानांतरित हो जाते हैं और पौधों की गुणवत्ता और उपज को कम कर देते हैं। वायरस संक्रमित पौधों का इलाज करना और उन्हें ठीक करना बहुत मुश्किल है, इसलिए पादप प्रजनक (plant breeders) हमेशा वायरस मुक्त पौधों को विकसित करने और उगाने में रुचि रखते हैं।
कुछ फसलों जैसे सजावटी पौधों में, व्यावसायिक स्तर पर ऊतक संवर्धन के माध्यम से वायरस मुक्त पौधों का उत्पादन संभव हो गया है। यह निम्न से प्राप्त संवर्धित ऊतकों से पौधों को पुनर्जीवित करके किया जाता है:

• वायरस मुक्त पौधे
• मेरिस्टेम जो आमतौर पर संक्रमण से मुक्त होते हैं। वायरस के उन्मूलन में, संवर्धन में उपयोग किए जाने वाले मेरिस्टेम का आकार बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है क्योंकि अधिकांश वायरस पौधों के ऊतकों में एक ढाल (gradient) स्थापित करके मौजूद होते हैं। संवर्धन के माध्यम से वायरस-मुक्त पौधों का पुनर्जनन उपयोग किए गए मेरिस्टेम के आकार के व्युत्क्रमानुपाती (inversely proportional) होता है।
• वायरस को निष्क्रिय करने के लिए हीट शॉक (\(34-36^\circ C\)) से उपचारित मेरिस्टेम।
• कैलस (Callus), जो आमतौर पर मेरिस्टेम की तरह वायरस मुक्त होता है।
• माध्यम का रासायनिक उपचार - रसायनों के साथ संवर्धन माध्यम का उपचार करके संक्रमित पौधों से वायरस को खत्म करने के प्रयास किए गए हैं, उदाहरण के लिए साइटोकिनिन (cytokinins) को जोड़ने से कुछ वायरस का गुणन (multiplication) दब जाता है।

संवर्धन तकनीकों में, मेरिस्टेम-टिप संवर्धन (meristem-tip culture) वायरस और अन्य रोगज़नक़ों के उन्मूलन के लिए सबसे विश्वसनीय विधि है। आर्थिक रूप से महत्वपूर्ण पौधों की कई प्रजातियों से वायरस को समाप्त कर दिया गया है, जिसके परिणामस्वरूप उपज और उत्पादन में उल्लेखनीय वृद्धि हुई है, उदाहरण के लिए आलू से आलू वायरस X, कसावा से मोज़ेक वायरस आदि।

पौधे की सामग्री का कायाकल्प (Rejuvenation plant materials)

एक पुराने पौधे से पौधों के ऊतकों को ऊतक संवर्धन के माध्यम से फिर से जीवंत (rejuvenated) किया जा सकता है और नए रूप में फिर से बढ़ने में सक्षम बनाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, पुरानी कसावा सामग्री को ऊतक संवर्धन के माध्यम से छोटे पौधों (plantlets) के उत्पादन के लिए फिर से जीवंत किया गया है।

सोमाक्लोनल भिन्नता (Somaclonal variation)

ऊतक और कोशिका संवर्धन से पुनर्जीवित पौधे गुणात्मक (qualitative) और मात्रात्मक (quantitative) दोनों लक्षणों के लिए वंशागत भिन्नता (heritable variation) दिखाते हैं; इस तरह की भिन्नता को सोमाक्लोनल भिन्नता कहते हैं। गन्ना, आलू, टमाटर आदि में सोमाक्लोनल भिन्नता का वर्णन किया गया है। कुछ रूप (variants) इन विट्रो (R0 पीढ़ी) कोशिकाओं से पुनर्जीवित पौधों में समरूप स्थिति (homozygous condition) में प्राप्त किए जाते हैं, लेकिन अधिकांश रूप ऊतक संवर्धन-पुनर्जीवित पौधों (R1 पीढ़ी) की स्वपरागित (selfed) संतति में प्राप्त होते हैं। सोमाक्लोनल भिन्नता सबसे अधिक संभावना गुणसूत्र संरचनात्मक परिवर्तनों, उदाहरण के लिए, छोटे विलोपन (deletions) और दोहराव (duplications), जीन उत्परिवर्तन (gene mutations), प्लाज्मा जीन उत्परिवर्तन, समसूत्री क्रॉसिंग ओवर (mitotic crossing over) और संभवतः, ट्रांसपोज़न (transposons) के परिणामस्वरूप उत्पन्न होती है। फसल सुधार में सोमाक्लोनल भिन्नता का लाभ उठाया जा सकता है क्योंकि यह उत्परिवर्तन प्रजनन (mutation breeding) की तुलना में कम से कम दो साल और जीन स्थानांतरण की बैक क्रॉस विधि (back cross method) की तुलना में तीन साल तक नई किस्म जारी करने के लिए आवश्यक समय को कम कर देता है। अब तक प्राप्त और वर्णित अधिकांश रूपों को फसल सुधार के लिए वरदान माना जाता है और कुछ प्रणालियों को नीचे समझाया गया है।

1. गन्ना (Sugarcane): ऊतक संवर्धन के माध्यम से, आई स्पॉट रोग (Helminthosporium sacchari), फिजी रोग (वायरस) और डाउनी फफूंदी (Sclerospora sacchari) के प्रतिरोध वाले वेरिएंट को अलग किया गया। इन रूपों ने अपने मूल क्लोन की तुलना में फिजी रोग और डाउनी फफूंदी के प्रति उच्च प्रतिरोध दिखाया। यहां तक कि प्रतिरोधी रेखाओं ने भी उच्च प्रतिरोध की ओर बदलाव प्रदर्शित किया।
2. आलू (Potato): आलू की किस्म रसेट बरबैंक (Russet Burbank) में प्रोटोप्लास्ट संवर्धन (protoplast culture), जो अपनी बाँझपन के कारण आलू सुधार से बाहर एक महत्वपूर्ण कल्टीवेटर (cultivar) है, ने कुल 1,700 सोमाक्लोन (somaclones) का उत्पादन किया। इस विशाल आबादी में से, 15 स्थिर सोमाक्लोन की पहचान की गई, जिससे आलू सुधार के लिए पर्याप्त परिवर्तनशीलता प्रदान की गई। उसी तरह, पछेती अंगमारी (late blight - Phytophthora infestans) और अगेती अंगमारी (early blight - Alternaria solani) के प्रतिरोध वाले सोमाक्लोन की पहचान की गई।
3. मक्का (Maize): मक्का में, T साइटोप्लाज्म वाले पौधे नर बाँझ (male sterile) और Drechslera maydis T. विष के प्रति संवेदनशील होते हैं। जब इन पौधों को इन विट्रो संवर्धन के अधीन किया गया, तो पुरुष उर्वरता (male fertility) और विष प्रतिरोध के लक्षणों के साथ सोमाक्लोन का उत्पादन किया गया। इसका परिणाम mtDNA में परिवर्तन के कारण था जो विष सहिष्णुता (toxin tolerance) के लिए जिम्मेदार है।
4. चावल (Rice): कल्टीवेटर नोरिन 10 (Norin 10) के डिहेप्लोइड्स (dihaploids) में क्लोरोफिल विकास, पौधे की ऊंचाई, बालियां निकलने की तिथि (heading date), परिपक्वता (maturity) और अनाज की उपज के लिए सोमाक्लोन देखे गए। उसी तरह, कल्टीवेटर कैलरोज 76 (Calrose 76) से दोगुने अगुणित (doubled haploid) पुनर्योजकों (regenerants) ने ऊंचाई, बीज संख्या और आकार, पुष्पगुच्छ (panicle) आकार और पत्ती आकारिकी (leaf morphology), टिलर संख्या और ऊंचाई के लिए भिन्नता दिखाई।
5. गेहूँ (Wheat): गेहूं में अपनाई गई भ्रूण संवर्धन (embryo culture) तकनीक ने एकल अपरिपक्व भ्रूण से कुछ 200 पौधों को बाहर कर दिया है। प्रारंभिक सोमाक्लोनल पुनर्योजकों ने फेनोटाइपिक भिन्नताएं (phenotypic variations) प्रदर्शित कीं। कल्टीवेटर याकी 50E (Yaqui 50E) से प्राप्त पुनर्योजकों के विश्लेषण से पौधे की ऊंचाई, परिपक्वता, टिलर संख्या, औन्स (awns) की उपस्थिति, ग्लूम का रंग (glume colour), अनाज का रंग आदि लक्षणों के लिए भिन्नता दिखाई गई। सोमाक्लोनल भिन्नता के अस्तित्व को ग्लियाडिन प्रोटीन (gliadin protein) के कुछ विशिष्ट बैंड की उपस्थिति और गायब होने से भी समर्थित किया गया था।

कृषि की दृष्टि से महत्वपूर्ण पौधों की प्रजातियों में सोमाक्लोनल भिन्नता (Somaclonal variation in agronomically important plant species)

सोमाक्लोनल विविधताओं के अनुप्रयोग (Applications of somaclonal variations)

• पुनरावर्ती DNA (recombinant DNA) तकनीक की तुलना में सोमाक्लोनल विविधताओं को पेश करने की कार्यप्रणाली सरल और आसान है।
• रोग प्रतिरोधक क्षमता वाले पौधों का विकास और उत्पादन जैसे चावल, गेहूं, सेब, टमाटर आदि।
• अजैविक तनाव प्रतिरोध के साथ जैव रासायनिक उत्परिवर्ती (biochemical mutants) का विकास जैसे गाजर में एल्यूमीनियम सहिष्णुता, तंबाकू और मक्का में लवण सहिष्णुता।
• शाकनाशी प्रतिरोध (herbicide resistance) के साथ सोमाक्लोनल वेरिएंट का विकास जैसे सल्फोनील्यूरिया के प्रति प्रतिरोधी तंबाकू।
• बेहतर गुणवत्ता वाले बीजों का विकास जैसे न्यूरोटॉक्सिन की कम सामग्री वाले Lathyrus sativa बीज (Lathyrus Bio L 212) की एक नई किस्म।
• केंद्रीय औषधीय और सुगंधित पौधा संस्थान (CIMAP), लखनऊ, भारत ने bio-13 जारी किया है - जो कि Citronella java (37% अधिक तेल और 39% अधिक सिट्रोनेलोन के साथ) का एक सोमाक्लोनल संस्करण है, जो व्यावसायिक खेती के लिए Bio-13 के रूप में एक औषधीय पौधा है।
• सुपर टमाटर - हेन्ज़ कंपनी (Heinz Co.) और DNA प्लांट टेक्नोलॉजी लेबोरेटरीज (यूएसए) ने सोमाक्लोन की जांच करके उच्च ठोस घटक (high solid component) के साथ सुपर टमाटर विकसित किए, जिससे शिपिंग और प्रसंस्करण लागत को कम करने में मदद मिली।

उत्परिवर्ती चयन (Mutant selection)

फसल सुधार के संबंध में उत्परिवर्ती (mutant) चयन में कोशिका संवर्धन का एक महत्वपूर्ण उपयोग है। संपूर्ण पौधों की आबादी की तुलना में कोशिका संवर्धन से जैव रासायनिक उत्परिवर्ती बहुत आसानी से अलग हो जाते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि जैव रासायनिक उत्परिवर्ती कोशिकाओं के लिए एक बड़ी संख्या में कोशिकाओं, \(10^6 - 10^9\), को आसानी से और प्रभावी ढंग से स्क्रीन किया जा सकता है। उत्परिवर्तजन उपचारों (mutagenic treatments) के माध्यम से उत्परिवर्तन की आवृत्ति को कई गुना बढ़ाया जा सकता है और लाखों कोशिकाओं की जांच की जा सकती है। बड़ी संख्या में ऐसी रिपोर्टें उपलब्ध हैं जहां सेलुलर स्तर पर उत्परिवर्ती का चयन किया गया है। कोशिकाओं को अक्सर उत्परिवर्ती कोशिकाओं में जिस विषैले पदार्थ के खिलाफ प्रतिरोध मांगा जाता है उसे सीधे जोड़कर चुना जाता है। इस पद्धति का उपयोग करके, अमीनो एसिड एनालॉग्स (amino acid analogues), एंटीबायोटिक्स, शाकनाशी, फंगल विषाक्त पदार्थों आदि के प्रतिरोधी सेल लाइनों को वास्तव में अलग कर दिया गया है। जैव रासायनिक उत्परिवर्तियों को रोग प्रतिरोध, पोषण गुणवत्ता में सुधार, तनाव की स्थिति में पौधों के अनुकूलन, उदा. लवणीय मिट्टी, और औषधीय या औद्योगिक उद्देश्यों के लिए उपयोग किए जाने वाले पादप उत्पादों के जैव संश्लेषण को बढ़ाने के लिए चुना जा सकता है।

अमीनो एसिड एनालॉग प्रतिरोधी उत्परिवर्ती (Amino acid analogue resistant mutants)

अनाज के दानों में लाइसिन (lysine) की कमी होती है; मक्का (Zea maize) में भी ट्रिप्टोफैन (tryptophan) की कमी होती है, जबकि गेहूँ (T.aestivum) और चावल (O.sativa) में थ्रेओनीन (threonine) की कमी होती है। दालों में मेथिओनिन (methionine) और ट्रिप्टोफैन की कमी होती है। अमीनो एसिड एनालॉग-प्रतिरोधी कोशिकाओं से उस विशेष अमीनो एसिड की अपेक्षाकृत उच्च सांद्रता दिखाने की उम्मीद की जा सकती है। उदाहरण के लिए, ट्रिप्टोफैन एनालॉग 5-मिथाइल ट्रिप्टोफैन के प्रतिरोधी गाजर (D.carota) और तंबाकू (N.tabacum) सेल लाइनें ट्रिप्टोफैन के स्तर में 10-27 गुना वृद्धि दर्शाती हैं। इसी तरह, लाइसिन एनालॉग 5-(B-aminoethyl)-cysteine के प्रतिरोधी चावल की कोशिकाएं लाइसिन के बहुत उच्च स्तर दिखाती हैं। बेहतर-संतुलित अमीनो एसिड सामग्री वाली फसल किस्मों के विकास में यह तकनीक उपयोगी साबित हो सकती है।

रोग प्रतिरोधी उत्परिवर्ती (Disease resistant mutants)

कई रोगजनक बैक्टीरिया विषाक्त पदार्थों का उत्पादन करते हैं जो पौधों की कोशिकाओं के लिए जहरीले होते हैं। पादप कोशिका संवर्धन को इन विषाक्त पदार्थों की घातक सांद्रता के संपर्क में लाया जा सकता है और प्रतिरोधी क्लोनों को अलग किया जा सकता है। इन प्रतिरोधी क्लोनों से पुनर्जीवित पौधे रोग पैदा करने वाले रोगज़नक़ के प्रतिरोधी होंगे। यह तकनीक उन सभी रोगजनकों पर लागू होनी चाहिए, जो विष (toxin) की कार्रवाई के माध्यम से बीमारी पैदा करते हैं। इस तकनीक को केवल उन्हीं मामलों में लागू किया जा सकता है जहां रोग रोगज़नक़ द्वारा उत्पादित विष का परिणाम है। लेकिन कई रोगजनक विष का उत्पादन नहीं करते हैं, या विष बीमारी का प्राथमिक कारण नहीं लगता है।

तनाव प्रतिरोधी और अन्य उत्परिवर्ती (Stress resistant and other mutants)

सामान्य रूप से विषैले नमक (NaCl) सांद्रता के 4-5 गुना प्रतिरोधी पौधों की कोशिकाओं को अलग कर दिया गया है। ऐसी कोशिकाओं को अलग करने का प्रयास किया जा रहा है। इसी तरह, ऐसे क्लोन को अलग करने के प्रयास किए जा रहे हैं जो औषधीय या औद्योगिक महत्व के अधिक पदार्थों का उत्पादन करेंगे।

दैहिक संकर और साइब्रिड का उत्पादन (Production of somatic hybrids and cybrids)

सोमैटिक सेल संकरण (Somatic cell hybridization) / पैरासेक्सुअल संकरण या प्रोटोप्लास्ट संलयन (Protoplast fusion) प्रजातियों या जेनेरा के बीच वांछनीय लक्षणों के साथ दूर के संकर प्राप्त करने के लिए एक वैकल्पिक विधि प्रदान करता है, जिसे यौन संकरण के पारंपरिक तरीके से पार (cross) नहीं किया जा सकता है। दैहिक संकरण के अनुप्रयोग इस प्रकार हैं:

1. रोग प्रतिरोधक क्षमता वाले संकरों का निर्माण: कई रोग प्रतिरोधक जीन (जैसे तंबाकू मोज़ेक वायरस, आलू वायरस X, क्लब रूट रोग) को एक प्रजाति से दूसरी प्रजाति में सफलतापूर्वक स्थानांतरित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, टमाटर में TMV, स्पॉटेड विल्ट वायरस और कीटों जैसी बीमारियों के खिलाफ प्रतिरोध शुरू किया गया है।
2. पर्यावरणीय सहिष्णुता (Environmental tolerance): दैहिक संकरण का उपयोग करते हुए टमाटर में ठंड, पाले और नमक के प्रति सहिष्णुता प्रदान करने वाले जीन को पेश किया गया।
3. साइटोप्लाज्मिक नर बाँझपन (Cytoplasmic male sterility): साइब्रिडाइजेशन (cybridization) विधि का उपयोग करके, साइटोप्लाज्मिक नर बाँझपन को स्थानांतरित करना संभव था।
4. गुणवत्ता के लक्षण (Quality characters): चयनात्मक विशेषताओं वाले दैहिक संकर विकसित किए गए हैं, उदा. उच्च निकोटीन सामग्री का उत्पादन।

दैहिक संकरण (Somatic hybridization): प्रोटोप्लास्ट को लगभग हर पौधे की प्रजाति से अलग किया जा सकता है और कैलस का उत्पादन करने के लिए संवर्धित किया जा सकता है। दो अलग-अलग प्रजातियों के प्रोटोप्लास्ट को पॉलीइथाइलीन ग्लाइकोल (polyethylene glycol) की मदद से जोड़ा जा सकता है।

जीन रूपांतरण (Gene transformation)

एक विशिष्ट जीन को अलग करके और फिर उसे चयनित फसलों में स्थानांतरित करके आनुवंशिक इंजीनियरिंग (genetic engineering) द्वारा महत्वपूर्ण फसलों में काफी सुधार किया जा सकता है। यह समजातीय (homologous - एक ही प्रजाति से) और विषम (heterologous - एक अलग प्रजाति से) DNA दोनों की मदद से पौधों की कोशिकाओं के आनुवंशिक संशोधन की संभावना को बढ़ाता है। यह भी प्रस्तावित है कि DNA पादप वायरस, जैसे फूलगोभी (B.oleracea) मोज़ेक वायरस और आलू लीफ रोल वायरस, प्लास्मिड (उदा. एग्रोबैक्टीरियम का Ti प्लास्मिड) और ट्रांसपोज़न, पौधे की कोशिकाओं के आनुवंशिक संशोधन के लिए जीन के वाहक के रूप में उपयोग किए जा सकते हैं।

इन विट्रो पादप जननद्रव्य संरक्षण (In vitro plant germplasm conservation)

जननद्रव्य एक फसल और उससे संबंधित प्रजातियों में मौजूद सभी जीनों के योग को संदर्भित करता है। जननद्रव्य के संरक्षण में भविष्य में किसी भी समय इसके उपयोग के लिए किसी विशेष पौधे या आनुवंशिक स्टॉक की आनुवंशिक विविधता (genetic diversity) का संरक्षण शामिल है। लुप्तप्राय पौधों का संरक्षण करना महत्वपूर्ण है अन्यथा मौजूदा और आदिम पौधों में मौजूद कुछ मूल्यवान आनुवंशिक लक्षण खो जाएंगे। जननद्रव्य को निम्नलिखित दो तरीकों से संरक्षित किया जाता है:

(a) स्व-स्थाने संरक्षण (In-situ conservation) - राष्ट्रीय उद्यान, अभयारण्य जैसे जीवमंडल भंडार (biosphere reserves) स्थापित करके जननद्रव्य को प्राकृतिक वातावरण में संरक्षित किया जाता है। इसका उपयोग कई जंगली प्रकारों के साथ प्राकृतिक आवास के निकट भूमि के पौधों के संरक्षण में किया जाता है।
(b) बाह्य-स्थाने संरक्षण (Ex-situ conservation) - इस विधि का उपयोग खेती और जंगली पौधों की सामग्री से प्राप्त जननद्रव्य के संरक्षण के लिए किया जाता है। बीज या इन विट्रो संवर्धन के रूप में आनुवंशिक सामग्री को संरक्षित किया जाता है और दीर्घकालिक उपयोग के लिए जीन बैंक (gene banks) के रूप में संग्रहीत किया जाता है।

पारंपरिक तरीकों (जैसे बीज, वनस्पति प्रसार आदि) द्वारा आनुवंशिक संसाधनों को संरक्षित करने के लिए इन विवो (In vivo) जीन बैंक बनाए गए हैं। कोशिका और ऊतक संवर्धन विधियों जैसे गैर-पारंपरिक तरीकों द्वारा आनुवंशिक संसाधनों को संरक्षित करने के लिए इन विट्रो जीन बैंक बनाए गए हैं। यह नई और बेहतर किस्में विकसित करने के लिए प्रजनक को मूल्यवान जननद्रव्य की उपलब्धता सुनिश्चित करेगा।

जननद्रव्य के इन विट्रो संरक्षण में शामिल तरीके हैं:

(a) क्रायोप्रिजर्वेशन (Cryopreservation): क्रायोप्रिजर्वेशन (ग्रीक- क्रायोस-पाले) में, कोशिकाओं को जमी हुई अवस्था में संरक्षित किया जाता है। जननद्रव्य को ठोस कार्बन डाइऑक्साइड (solid carbon dioxide) (\(-79^\circ C\) पर), कम तापमान वाले डीप फ़्रीज़र (\(-80^\circ C\) पर), वाष्प नाइट्रोजन (\(-150^\circ C\) पर) और तरल नाइट्रोजन (\(-196^\circ C\) पर) का उपयोग करके बहुत कम तापमान पर संग्रहित किया जाता है। कोशिकाएँ पूर्णतः निष्क्रिय अवस्था में रहती हैं और इस प्रकार लम्बे समय तक संरक्षित की जा सकती हैं। पौधे के किसी भी ऊतक का उपयोग क्रायोप्रिजर्वेशन के लिए किया जा सकता है, उदाहरण के लिए मेरिस्टेम, भ्रूण, एंडोस्पर्म, बीजांड, बीज, संवर्धित पादप कोशिकाएं, प्रोटोप्लास्ट, कैलस। क्रायोप्रिजर्वेशन के दौरान DMSO (डाइमिथाइल सल्फ़ोक्साइड), ग्लिसरॉल, एथिलीन, प्रोपलीन, सुक्रोज़, मैनोज़, ग्लूकोज़, प्रोलिन, एसिटामाइड आदि कुछ यौगिकों को मिलाया जाता है। इन्हें क्रायोप्रोटेक्टेंट्स (cryoprotectants) कहा जाता है और ये पानी के हिमांक (freezing point) और सुपर कूलिंग बिंदु को कम करके कोशिकाओं को (जमने या पिघलने से) होने वाले नुकसान को रोकते हैं।

(b) कोल्ड स्टोरेज (Cold storage): कोल्ड स्टोरेज एक धीमी वृद्धि वाली जननद्रव्य संरक्षण विधि है और जननद्रव्य को कम और गैर-ठंड तापमान (\(1-9^\circ C\)) पर संरक्षित करती है। क्रायोप्रिजर्वेशन में पूर्ण ठहराव के विपरीत कोल्ड स्टोरेज में पादप सामग्री की वृद्धि धीमी हो जाती है और इस प्रकार क्रायोजेनिक चोटों (cryogenic injuries) से बचा जाता है। लंबी अवधि का कोल्ड स्टोरेज सरल, लागत प्रभावी है और अच्छी उत्तरजीविता दर (survival rate) के साथ जननद्रव्य पैदा करता है। वायरस मुक्त स्ट्रॉबेरी के पौधों को लगभग 6 वर्षों तक \(10^\circ C\) पर संरक्षित किया जा सकता है। अंगूर के कई पौधों को \(9^\circ C\) के आसपास तापमान पर कोल्ड स्टोरेज का उपयोग करके और उन्हें हर साल ताजे माध्यम में स्थानांतरित करके 15 वर्षों से अधिक समय तक संग्रहीत किया गया है।

(c) कम दबाव और कम ऑक्सीजन का भण्डारण (Low pressure and low oxygen storage): कम दबाव वाले भंडारण में, पादप सामग्री के आसपास के वायुमंडलीय दबाव को कम किया जाता है और कम ऑक्सीजन भंडारण में, ऑक्सीजन की सांद्रता कम हो जाती है। कम आंशिक दबाव पौधों की इन विट्रो वृद्धि को कम करता है। कम ऑक्सीजन वाले भंडारण में, ऑक्सीजन की सांद्रता कम हो जाती है और \(50 \text{ mmHg}\) से कम ऑक्सीजन का आंशिक दबाव पौधे के ऊतकों की वृद्धि को कम कर देता है। \(O_2\) की कम उपलब्धता, और \(CO_2\) के कम उत्पादन के कारण, प्रकाश संश्लेषक गतिविधि (photosynthetic activity) कम हो जाती है जो पौधे के ऊतकों के विकास और आयाम को रोकती है। इस पद्धति ने कई फलों, सब्जियों और फूलों के शेल्फ जीवन (shelf life) को बढ़ाने में भी मदद की है。

पारंपरिक तरीकों के माध्यम से जननद्रव्य संरक्षण की कई सीमाएँ हैं जैसे कि अल्पकालिक बीज, बीज सुप्तता (seed dormancy), बीज जनित रोग, और लागत और श्रम का उच्च निवेश। क्रायो-प्रिजर्वेशन (कोशिकाओं और ऊतकों को \(-196^\circ C\) पर जमना) और कोल्ड स्टोरेज का उपयोग करने की तकनीकें हमें इन समस्याओं को दूर करने में मदद करती हैं।

सिंथेटिक बीज का उत्पादन (Production of synthetic seeds)

सिंथेटिक बीजों में, दैहिक भ्रूणों (somatic embryos) को माइकोराइजा (mycorrhizae), कीटनाशकों, कवकनाशियों और शाकनाशियों जैसे पदार्थों के साथ एक उपयुक्त मैट्रिक्स (जैसे सोडियम एल्गिनेट) में समाहित (encapsulated) किया जाता है। इन कृत्रिम बीजों का उपयोग वांछित पौधों की प्रजातियों के साथ-साथ संकर किस्मों के तेजी से और बड़े पैमाने पर प्रसार के लिए किया जा सकता है। सिंथेटिक बीजों के प्रमुख लाभ हैं:

• इन्हें जीवन क्षमता (viability) खोए बिना एक वर्ष तक संग्रहीत किया जा सकता है।
• वितरण की इकाइयों (units of delivery) के रूप में उपयोग करने और संभालने में आसान।
• प्राकृतिक बीजों की तरह सीधे मिट्टी में बोया जा सकता है और ग्रीन हाउस में अनुकूलन (acclimatization) की आवश्यकता नहीं होती है।

द्वितीयक उपापचयजों का उत्पादन (Production of secondary metabolites)

कोशिका संवर्धन का उपयोग करके उत्पादित सबसे महत्वपूर्ण रसायन द्वितीयक उपापचयज (secondary metabolites) हैं, जिन्हें 'कोशिका के वे घटक जो अस्तित्व के लिए आवश्यक नहीं हैं' के रूप में परिभाषित किया गया है। इन द्वितीयक उपापचयजों में अल्कलॉइड, ग्लाइकोसाइड (स्टेरॉयड और फेनोलिक्स), टेरपेनोइड्स, लेटेक्स, टैनिन आदि शामिल हैं। यह देखा गया है कि जैसे ही कोशिकाएं पौधे के विकास के दौरान रूपात्मक विभेदन (morphological differentiation) और परिपक्वता से गुजरती हैं, कुछ कोशिकाएं द्वितीयक उपापचयज उत्पन्न करने के लिए विशेषज्ञ होती हैं। गैर-विभेदित ऊतकों की तुलना में विभेदित ऊतकों से द्वितीयक उपापचयजों का इन विट्रो उत्पादन बहुत अधिक होता है।
कोशिका संवर्धन प्राकृतिक उत्पादों के उत्पादन में कई तरह से योगदान करते हैं। ये हैं:

• उत्पादों को स्थापित करने के लिए संश्लेषण का एक नया मार्ग जैसे कोडीन (codeine), कुनैन (quinine), पाइरेथ्रोइड्स (pyrethroids)
• उगाने या स्थापित करने में मुश्किल पौधों से एक उपन्यास (novel) उत्पाद के लिए संश्लेषण का एक मार्ग जैसे Papaver bracteatum से थीबेन (thebain)
• अपने आप में नए रसायनों का एक स्रोत जैसे Ruta के संवर्धन से रूटाकल्टिन (rutacultin)
• बायोट्रांसफॉर्मेशन (biotransformation) सिस्टम के रूप में या तो अपने आप या एक बड़ी रासायनिक प्रक्रिया के हिस्से के रूप में जैसे डिगॉक्सिन (digoxin) संश्लेषण।

द्वितीयक उपापचयजों के इन विट्रो उत्पादन के लाभ (The advantages of in vitro production of secondary metabolites)

• बेहतर उत्पाद निर्माण की सुविधा के लिए सेल संवर्धन और सेल वृद्धि को आसानी से नियंत्रित किया जाता है।
• उत्पाद की वसूली आसान है।
• चूंकि कोशिका संवर्धन प्रणालियाँ पर्यावरणीय कारकों, मौसमी विविधताओं, कीट और सूक्ष्मजीव रोगों, भौगोलिक स्थान की बाधाओं से स्वतंत्र हैं, इसलिए आवश्यक उपापचयज (metabolite) के उत्पादन को बढ़ाना आसान है।
• उपन्यास और व्यावसायिक रूप से उपयोगी यौगिकों के उत्पादन के लिए उत्परिवर्ती सेल लाइनों को विकसित किया जा सकता है।
• बाजार की मांग के अनुसार नियंत्रित परिस्थितियों में यौगिकों का उत्पादन किया जाता है।
• शामिल न्यूनतम श्रम के कारण उत्पादन का समय कम और लागत प्रभावी है।

ऊतक संवर्धन तकनीकों का उपयोग करके प्राप्त पौधों की प्रजातियों और द्वितीयक उपापचयजों को दर्शाने वाली तालिका

परागकोष संवर्धन (Anther culture)

परागकोष संवर्धन के माध्यम से उत्पन्न पौधे अगुणित (haploids) होते हैं। बैकक्रॉसिंग की श्रृंखला में जाए बिना गुणसूत्रों (chromosomes) को दोगुना करने से समरूप (homozygous) पौधों का उत्पादन हो सकता है। पादप प्रजनक के लिए इस तकनीक का गहरा अनुप्रयोग है और यह प्रजनन के समय को आधा कर देता है।

भ्रूण बचाव (Embryo rescue)

कई महत्वपूर्ण पौधों को बीजों के माध्यम से फैलाना मुश्किल होता है। बीजों को अंकुरित होने में काफी समय लगता है या बीज बिल्कुल भी अंकुरित नहीं होते हैं। भ्रूण संवर्धन के जरिए इससे उबरा जा सकता है। बीजों को एसेप्टिक (aseptic) स्थिति में सतह से निष्फल (surface sterilized) और विभाजित किया जाता है और छोटे भ्रूण को निकालकर पोषक माध्यम में लगाया जाता है और फिर यह एक पूर्ण पौधे में विकसित होता है।

ऑर्गेनेल ट्रांसफर (Organelle transfer)

कुछ मामलों में, केवल ऑर्गेनेल (organelles) या साइटोप्लाज्म को एक नई आनुवंशिक पृष्ठभूमि में स्थानांतरित करना वांछनीय हो सकता है। यह पादप प्रोटोप्लास्ट (plant protoplasts) के उपयोग के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। क्लोरोप्लास्ट (Chloroplasts) को स्थानांतरित कर दिया गया है, और नाभिक (nucleus) सहित अन्य ऑर्गेनेल को स्थानांतरित किया जा सकता है।

उपलब्धियां और भविष्य की संभावनाएं (Achievements and future prospects)

फसल उत्पादन बढ़ाने और फसल सुधार के प्रयासों में सहायता के लिए ऊतक संवर्धन तकनीकों का उपयोग किया जा रहा है। कई बागवानी प्रजातियों जैसे ऑयल पाम (oil palm), मेंथा, गुलाब, कार्नेशन (carnation) आदि के लिए व्यावसायिक पैमाने पर तेज क्लोनल गुणन का शोषण किया जा रहा है। ऊतक संवर्धित दैहिक ऊतकों (somatic tissues) का अब नियमित रूप से उन प्रजातियों के संरक्षण के लिए उपयोग किया जा रहा है जिनके बीज पुनरावर्ती (recalcitrant) हैं या जो बिल्कुल भी बीज पैदा नहीं करते हैं।

भ्रूण संवर्धन ने संकर भ्रूणों (hybrid embryos) को बचाने में मदद की है जिससे कई अंतर-विशिष्ट संकरों (interspecific hybrids) और अगुणित पौधों की प्राप्ति संभव हो गई है। प्ररोह शीर्ष (मेरिस्टेम) संवर्धन (Shoot tip / meristem culture) एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है जो जननद्रव्य विनिमय (germplasm exchange) में बहुत महत्व रखता है, और पौधे की सामग्री में वायरस का पता लगाने के लिए सीरोलॉजिकल (serological) तकनीकों का विकास इस दिशा में प्रयासों के लिए एक बड़ी मदद है।

प्रश्न (Questions)

अतिरिक्त पठन (Additional reading…)

http://www.biotechnology4u.com/plant_biotechnology_applications_cell_tissue_culture.html