A subgenome-resolved and chromosome-scale reference genome assembly of allotetraploid wheat wild relative Aegilops peregrina

गेहूं वैश्विक खाद्य आपूर्ति का आधार है, जो हर दिन अरबों लोगों का पेट भरता है। फिर भी, आज हम जो गेहूं खाते हैं, जिसे 'ब्रेड व्हीट' के रूप में जाना जाता है, उसमें एक आनुवंशिक बाधा (जेनेटिक बॉटलनेक) है। चूंकि इसे सीमित संख्या में प्राचीन संकरण (हाइब्रिडाइजेशन) घटनाओं के माध्यम से बनाया गया था, इसलिए इसकी आनुवंशिक विविधता संकीर्ण है, जिससे यह नई बीमारियों और बदलते जलवायु के प्रति संवेदनशील हो जाता है। इस महत्वपूर्ण फसल की रक्षा करने के लिए, वैज्ञानिक इसके जंगली रिश्तेदारों की ओर देखते हैं, वे पौधे जो खेती वाले खेतों के साथ मैदानों और रेगिस्तानों में उगते हैं। ये जंगली प्रजातियां कठोर परिस्थितियों में जीवित रहने के लिए सहस्राब्दियों से विकसित हुई हैं, जिनमें सूखा सहने की क्षमता, रोग प्रतिरोधक क्षमता और पोषण मूल्य के लिए आनुवंशिक गुणों का एक विशाल पुस्तकालय मौजूद है जो पालतू गेहूं में खो गया है। ऐसा ही एक संबंधी एक जंगली घास है जिसे एजिलोप्स पेरेग्रिना (Aegilops peregrina) कहा जाता है, जो चार-क्रोमोसोम-सेट वाला एक पौधा है जो भूमध्यसागरीय क्षेत्र में पनपता है और जिसमें स्टेम रस्ट जैसी विनाशकारी कवक बीमारियों के खिलाफ शक्तिशाली रक्षा प्रणाली मौजूद है।

द दशकों से, प्रजनकों (breeders) ने इन उपयोगी गुणों को जंगली घासों से गेहूं में स्थानांतरित करने का प्रयास किया है, लेकिन यह प्रक्रिया धीमी और कठिन रही है। जंगली पौधे के आनुवंशिक कोड का पूर्ण और विस्तृत मानचित्र प्राप्त किए बिना, वैज्ञानिक अनिवार्य रूप से यह जाने बिना कि सुई कैसी दिखती है या घास का ढेर कैसे व्यवस्थित है, घास के ढेर में एक विशिष्ट सुई खोजने की कोशिश कर रहे थे। एजिलोप्स पेरेग्रिना का जीनोम विशेष रूप से जटिल है क्योंकि यह एक एलोटेट्राप्लोइड (allotetraploid) है, जिसका अर्थ है कि इसमें दो अलग-अलग गुणसूत्र सेट शामिल हैं जो विभिन्न पूर्वج प्रजातियों से विरासत में मिले हैं। यह दोहरी प्रकृति इसके डीएनए का स्पष्ट चित्र बनाने में कठिनाई पैदा करती है क्योंकि दोनों सेट के निर्देश इतने समान होते हैं कि कंप्यूटर उन्हें एक-दूसरे से अलग करने में संघर्ष करते हैं।

एक महत्वपूर्ण प्रगति के रूप में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एजिलोप्स पेरेग्रिना जीनोम का पहला उच्च-गुणवत्ता वाला, क्रोमोसोम-स्केल मानचित्र तैयार किया है। उन्होंने एक विशिष्ट पौधे के नमूने पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे एक्सेसियन (accession) PI 604178 के रूप में जाना जाता है, जिसे इज़राइल के तटीय मैदानों से एकत्र किया गया था और जो सूखे को सहने और स्टेम रस्ट के आक्रामक उपभेदों (strains) का विरोध करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। डीएनए के लंबे, निरंतर स्ट्रैंड्स को पढ़ने और फिर कोशिका के भीतर डीएनए कैसे मुड़ता है (फोल्ड होता है) इसके आधार पर उन्हें व्यवस्थित करने वाली उन्नत अनुक्रमण (sequencing) तकनीकों का उपयोग करके, वैज्ञानिकों ने एक पूर्ण संदर्भ जीनोम का निर्माण किया। यह संयोजन विशाल है, जिसमें 10 बिलियन से अधिक बेस पेयर्स की आनुवंशिक जानकारी शामिल है। शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक इस जानकारी को 14 विशिष्ट क्रोमोसोमों में वर्गीकृत किया, जिसमें दो पूर्वज सेटों को अलग किया गया, जिन्हें उन्होंने Sᵖ और Uᵖ सबजीनोम नाम दिया, ताकि पौधे की आनुवंशिक संरचना का एक स्पष्ट और व्यवस्थित ब्लूप्रिंट बनाया जा सके।

इस नए मानचित्र की गुणवत्ता असाधारण रूप से उच्च है, जो वैज्ञानिकों को अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ जीनोम देखने की अनुमति देती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि आनुवंशिक सामग्री का एक बड़ा हिस्सा, लगभग 99 प्रतिशत, सफलतापूर्वक इन 14 क्रोमोसोमों से जुड़ा हुआ था। यह संयोजन इतना निरंतर है कि पहेली का औसत टुकड़ा लगभग 26 मिलियन बेस पेयर्स लंबा है, और सबसे बड़ा एकल टुकड़ा 111 मिलियन बेस पेयर्स से अधिक लंबा है। विवरण का यह स्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह शोधकर्ताओं को दोनों सबजीनोम के बीच अंतर करने और उन्हें स्वतंत्र रूप से अध्ययन करने की अनुमति देता है। टीम ने क्रोमोसोम के सिरों पर विशिष्ट मार्करों की जांच करके और परिणामों की तुलना पौधे के ज्ञात पूर्वजों के जीनोम से करके अपने मानचित्र की सटीकता की पुष्टि की, जिसमें एक मजबूत मिलान पाया गया जिसने आनुवंशिक अनुक्रमों के क्रम और अभिविन्यास (orientation) को प्रमाणित किया।

इस आनुवंशिक ब्लूप्रिंट के भीतर, शोधकर्ताओं ने पाया कि पौधे का डीएनए पुनरावृत्ति तत्वों (repetitive elements) से प्रधान है, जो जीनोम के 85 प्रतिशत से अधिक हिस्से का निर्माण करते हैं। ये डीएनए के ऐसे खंड हैं जो पूरे जीनोम में खुद को कॉपी और पेस्ट करते हैं, जो बड़े पौधों के जीनोम की एक सामान्य विशेषता है जो अक्सर अनुक्रमण प्रयासों को जटिल बनाती है। इस जटिलता के बावजूद, टीम ने लगभग 60,000 उच्च-विश्वास वाले जीन की पहचान करने में सफलता प्राप्त की, जो वे कार्यात्मक इकाइयाँ हैं जो पौधे का निर्माण करती हैं और इसके गुणों को निर्धारित करती हैं। ये जीन दोनों सबजीनोम के बीच लगभग समान रूप से वितरित थे, जो एक संतुलित विकासवादी इतिहास का सुझाव देते हैं। शोधकर्ताओं ने पौधे के क्लोरोप्लास्ट और माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम का भी मानचित्रण किया, जो कोशिका के भीतर ऊर्जा पैदा करने वाली प्रणालियाँ हैं, जो जीव की आनुवंशिक मशीनरी की एक पूर्ण तस्वीर प्रदान करती हैं।

यह संदर्भ जीनोम वैश्विक खाद्य सुरक्षा में सुधार के लिए एक शक्तिशाली नए उपकरण के रूप में कार्य करता है। एजिलोप्स पेरेग्रिना का सटीक मानचित्र होने से, प्रजनक अब उन जीनों के सटीक स्थानों की पहचान कर सकते हैं जो स्टेम रस्ट जैसी बीमारियों का विरोध करने और सूखा सहने के लिए जिम्मेदार हैं। वे इन विशिष्ट जीनों को गेहूं की फसलों में स्थानांतरित किए जाने के दौरान ट्रैक कर सकते हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि लाभकारी गुणों को अवांछित आनुवंशिक बोझ के साथ लाए बिना सफलतापूर्वक स्थानांतरित किया जा सके। यह संसाधन अब सार्वजनिक रूप से उपलब्ध है, जिससे दुनिया भर के वैज्ञानिक इस विस्तृत आनुवंशिक ढांचे का उपयोग विभिन्न प्रजातियों की तुलना करने, यह समझने के लिए कि ये पौधे कैसे विकसित हुए, और गेहूं की ऐसी किस्मों के विकास में तेजी लाने के लिए कर सकते हैं जो भविष्य की पर्यावरणीय चुनौतियों का सामना कर सकें। यह कार्य एक जंगली घास को एक रहस्यमय प्रतिरोध के स्रोत से बदलकर एक सुस्थापित आनुवंशिक संसाधन में बदल देता है, जो दुनिया की खाद्य आपूर्ति को सुरक्षित करने के तत्काल कार्य के लिए तैयार है।