Utilising nuclear encoded plastid DNA to identify donors of grass-to-grass lateral gene transfer
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि नाभिकीय-कोडित प्लास्टिड डीएनए (NUPTs) घास-से-घास पार्श्व जीन स्थानांतरण (lateral gene transfer) के विशिष्ट दाता प्रजातियों की प्रभावी ढंग से पहचान कर सकते हैं, जो यह प्रकट करता है कि *Eremochloa attenuata* ने एक पूर्व ज्ञात LGT और एक नव-पहचाने गए NUPT दोनों वाले डीएनए खंड को *Alloteropsis semialata* में सह-स्थानांतरित किया।
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जीवन के इस विशाल पुस्तकालय में, डीएनए आमतौर पर माता-पिता से संतान में स्थानांतरित होता है, एक ऊर्ध्वाधर वंशावली जो विकास के वृक्ष को शाखा दर शाखा बनाती है। लेकिन कभी-कभी, प्रकृति नियमों को तोड़ देती है। डीएनए दो अलग-अलग प्रजातियों के बीच पार्श्व रूप से (sideways) कूद सकता है जो प्रत्यक्ष वंशावली से संबंधित नहीं हैं, जिसे 'लैटरल जीन ट्रांसफर' (lateral gene transfer) कहा जाता है। जहाँ पहले इसे सरल सूक्ष्मजीवों तक सीमित एक दुर्लभ घटना माना जाता था, अब वैज्ञानिक जानते हैं कि यह पौधों में, विशेष रूपकर घास (grasses) में, अक्सर होता है। जब एक घास की प्रजाति अपने पड़ोसी से डीएनए का एक बड़ा हिस्सा प्राप्त करती है, तो वह नए गुण प्राप्त कर सकती है, लेकिन यह पता लगाना कि किस पड़ोसी ने वह उपहार दिया है, अक्सर एक पहेली बन जाता है। दाता विलुप्त हो सकता है, या डीएनए समय के साथ इतना बदल गया हो सकता है कि मूल स्रोत को पहचानना असंभव हो जाए। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं को इन स्थानांतरित जीनों के इतिहास का उच्च सटीकता के साथ पता लगाने के लिए एक तरीके की आवश्यकता है, जो समय बीतने के बाद भी जीवित रहने वाले सुरागों की तलाश कर सके।
वैज्ञानिकों की एक टीम ने हाल ही में घास के परमाणु जीनोम (nuclear genomes) के भीतर छिपे एक विशिष्ट प्रकार के 'जेनेटिक फॉसिल' (आनुवंशिक जीवाश्म) की खोज करके इस समस्या का समाधान किया। उन्होंने एलोटेरोपिस सेमीआटा (Alloteropsis semialata) नामक घास पर ध्यान केंद्रित किया, जो अन्य घासों से कई बड़े डीएनए खंड प्राप्त करने के लिए जानी जाती है। इन पौधों के केंद्रक (nucleus) के भीतर, उन्होंने 'प्लास्टिड ओरिजिन' के परमाणु डीएनए, या NUPTs की खोज की। ये क्लोरोप्लास्ट डीएनए के टुकड़े हैं—वह आनुवंशिक सामग्री जो प्रकाश संश्लेषण के लिए जिम्मेदार है—जो लाखों वर्षों में गलती से मुख्य परमाणु जीनोम में समाहित हो गए हैं। चूंकि घास के क्लोरोप्लास्ट जीनोम अत्यधिक संरक्षित हैं और हजारों प्रजातियों के लिए अनुक्रमित (sequenced) किए जा चुके हैं, इसलिए वे एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करते हैं जिसकी परमाणु जीन में अक्सर कमी होती है। शोधकर्ताओं ने परिकल्पना की कि यदि किसी पौधे ने डीएनए का एक बड़ा खंड प्राप्त किया है, तो उसने संभवतः एक NUPT भी प्राप्त किया होगा जो उस समय दाता के जीनोम में स्थित था। इन NUPTs को खोजकर और उनके विकासवादी इतिहास का पता लगाकर, वे अन्य जीनों की तुलना में बहुत अधिक सटीकता के साथ दाता प्रजाति की पहचान कर सकते हैं।
टीम ने एलोटेरोपिस सेमीआटा के चार अलग-अलग एक्सेसियन्स (accessions) का स्कैन करके शुरुआत की। उन्होंने इन पौधों के परमाणु डीएनए की तुलना सैकड़ों अन्य घासों के क्लोरोप्लास्ट जीनोम के डेटाबेस से की ताकि उन मिलानों को खोजा जा सके जो स्वयं पौधे के नहीं थे। उन्होंने कमजोर मिलानों को हटा दिया, और केवल उन्हें रखा जो लंबे थे और विदेशी क्लोरोप्लास्ट के अत्यधिक समान थे। इस प्रक्रिया ने कुछ ऐसे उम्मीदवारों को प्रकट किया जो विदेशी आनुवंशिक सामग्री के रूप में दिखाई दिए जो पौधे के केंद्रक में एकीकृत हो गए थे। अपने संदेह की पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इन विशिष्ट डीएनए खंडों के पारिवारिक वृक्षों (family trees) का पुनर्निर्माण किया। उन्होंने पाया कि दो एक्सेसियन्स में, NUPTs वहां नहीं थे जहां उन्हें पौधे के अपने पूर्वजों से ऊर्ध्वाधर रूप से विरासत में मिलना चाहिए था। इसके बजाय, ये खंड अन्य घास समूहों की विकासवादी शाखाओं के भीतर गहराई से स्थित थे, जो यह संकेत देते थे कि उन्हें पार्श्व रूप से (laterally) प्राप्त किया गया था।
एक मामले में, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा NUPT पहचाना जो डिजिटेरिया (Digitaria) वंश के करीब था, जो कि 'क्रैबग्रास' (crabgrass) नामक घास का एक प्रकार है। दूसरे, अधिक जटिल मामले में, NUPT ने इरेमोक्लोआ (Eremochloa) वंश की ओर संकेत किया। इस दूसरे स्थानांतरण के सटीक दाता को सीमित करने के लिए, टीम ने हर्बेरियम नमूनों से बारह अतिरिक्त इरेमोक्लोआ प्रजातियों के क्लोरोप्लास्ट जीनोम का अनुक्रमण किया। जब उन्होंने इन नए अनुक्रमों को अपने विश्लेषण में जोड़ा, तो प्रमाण निर्णायक हो गया: एलोटेरोपिस पौधे में मौजूद विदेशी डीएनए खंड इरेमोक्लोआ एटेंउआटा (Eremochloa attenuata) नामक एक विशिष्ट प्रजाति से सबसे निकट से संबंधित था। जेनेटिक मिलान इतना मजबूत था कि शोधकर्ता उच्च विश्वास के साथ दाता को स्थापित कर सके, जो केवल स्थानांतरण में शामिल परमाणु जीनों को देखकर करना कठिन होता।
अध्ययन ने यह देखने के लिए एक कदम आगे बढ़ाया कि क्या NUPT और पास के स्थानांतरित जीन एक साथ चलते हैं। शोधकर्ताओं ने एलोटेरोपिस जीनोम के उस क्षेत्र का अवलोकन किया जहाँ NUPT पाया गया था और देखा कि यह पहले से पहचाने गए एक लैटरल जीन ट्रांसफर की घटना के ठीक नीचे स्थित था। उन्होंने संदिग्ध दाता, इरेमोक्लोआ एटेंउआटा के लघु डीएनए रीड्स (short DNA reads) को एलोटेरोपिस के इस विशिष्ट क्षेत्र पर मैप किया। रीड्स ने इस क्षेत्र को लगातार कवर किया, जो ज्ञात स्थानांतरित जीनों को फैलाते हुए सीधे NUPT वाले क्षेत्र तक पहुँच गया। यह पैटर्न बताता है कि डीएनए का पूरा ब्लॉक, कार्यात्मक जीनों और क्लोरोप्लास्ट खंड दोनों सहित, दाता से प्राप्तकर्ता में एक एकल, निरंतर टुकड़े के रूप में स्थानांतरित हुआ था।
यह दृष्टिकोण आनुवंशिक आदान-प्रदान के इतिहास को ट्रैक करने के एक शक्तिशाली नए तरीके को उजागर करता है। केंद्रक के भीतर छिपे क्लोरोप्लास्ट डीएनए के प्रचुर और अच्छी तरह से संरक्षित रिकॉर्ड का उपयोग करके, वैज्ञानिक लैटरल जीन ट्रांसफर घटनाओं के दाताओं की बहुत अधिक सटीकता के साथ पहचान कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये स्थानांतरण बड़े, जटिल डीएनए खंडों को शामिल कर सकते हैं जिनमें जीन और नॉन-कोडिंग क्षेत्र दोनों शामिल होते हैं, और एक ही दाता कई स्थानांतरण घटनाओं में योगदान दे सकता है। हालांकि यह पद्धति इन विशिष्ट जेनेटिक फॉसिल्स की उपस्थिति पर निर्भर करती है और हर प्राचीन स्थानांतरण के लिए काम नहीं कर सकती है, फिर भी यह घासों के विकासवादी इतिहास में डीएनए के आदान-प्रदान को समझने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है। सटीक दाता प्रजाति को पहचानने की क्षमता यह समझने के द्वार खोलती है कि वे तंत्र क्या हैं जो डीएनए को प्रजातियों के बीच कूदने की अनुमति देते हैं और वे कौन से गुण हैं जो घास को इन आदान-प्रदानों से प्राप्त होते हैं।
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