Evolution of an unstable sex determination system in white Guinea yam (Dioscorea rotundata)

पादप जगत में, प्रजनन के नियम आश्चर्यजनक रूप से परिवर्तनशील हैं। जबकि कई जानवरों में गुणसूत्रों द्वारा निर्धारित निश्चित लिंग होते हैं जो कभी नहीं बदलते, फूल वाले पौधे अक्सर अधिक लचीला दृष्टिकोण प्रदर्शित करते हैं। कुछ प्रजातियां सख्ती से नर या मादा होती हैं, जबकि अन्य एक ही पौधे पर दोनों प्रकार के फूल उत्पन्न कर सकती हैं, या एक वर्ष से दूसरे वर्ष में अपना लिंग बदल सकती हैं। यह परिवर्तनशीलता, जिसे अस्थिर लिंग अभिव्यक्ति (unstable sex expression) के रूप में जाना जाता है, वैज्ञानिकों के लिए एक सामान्य पहेली है जो यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि पौधे यह कैसे तय करते हैं कि नर या मादा फूल उगाना है। किसानों के लिए, यह अनिश्चितता एक महत्वपूर्ण बाधा है। उन फसलों में जो दुनिया का पेट भरने के लिए महत्वपूर्ण हैं, लिंग को विश्वसनीय रूप से नियंत्रित करने में असमर्थता बेहतर उपज या रोग प्रतिरोधक क्षमता वाली नई किस्में विकसित करने में कठिनाई पैदा करती है। यदि किसी पौधे को स्व-परागण (self-pollination) के लिए मजबूर नहीं किया जा सकता क्योंकि वह अपना लिंग बदलता रहता है, तो ब्रीडर्स वांछित गुणों को आसानी से स्थिर नहीं कर सकते।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब व्हाइट गिनी याम (white Guinea yam) में इस अस्थिरता के पीछे के तंत्र का खुलासा किया है, जो कि एक कंद फसल है और पश्चिम और मध्य अफ्रीका के लाखों लोगों के लिए आहार का मुख्य आधार है। इसके आनुवंशिक कोड को अभूतपूर्व विस्तार के साथ मैप करके, उन्होंने खोजा कि याम अपना लिंग निर्धारित करने के लिए 'माइक्रोआरएनए' (microRNA) नामक एक सूक्ष्म अणु से जुड़े एक विशिष्ट आनुवंशिक स्विच का उपयोग करता है। यह स्विच एक साधारण ऑन-ऑफ बटन नहीं है बल्कि एक ऐसी प्रणाली है जिसे पर्यावरणीय कारकों से प्रभावित किया जा सकता है, जो यह समझाता है कि क्यों एक ही पौधा एक वर्ष मादा और अगले वर्ष नर हो सकता है। यह खोज एक हाल ही में विकसित लिंग-निर्धारण प्रणाली को प्रकट करती है जो अन्य संबंधित याम प्रजातियों में पाए जाने वाले तंत्र से भिन्न है, जो इस महत्वपूर्ण फसल को भविष्य की खाद्य सुरक्षा के लिए स्थिर करने की दिशा में एक नया मार्ग प्रदान करती है।

व्हाइट गिनी याम, जिसे वैज्ञानिक रूप से डिओस्कोरिया रोटोंडाटा (Dioscorea rotundata) के रूप में जाना जाता है, एक डायोशियस (dioecious) पौधा है, जिसका अर्थ है कि व्यक्तिगत पौधे आमतौर पर या तो नर या मादा होते हैं। यह अलगाव प्रजनन कार्यक्रमों के लिए एक बड़ी बाधा उत्पन्न करता है। उन फसलों के विपरीत जो स्व-परागण कर सकती हैं, याम को बीज उत्पन्न करने के लिए मादा पौधे को निषेचित करने के लिए एक नर पौधे की आवश्यकता होती है। यह प्रक्रिया धीमी और अक्षम है, जिससे नए आनुवंशिक सुधार लाना कठिन हो जाता है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने लंबे समय से देखा है कि इन याम का लिंग हमेशा स्थिर नहीं रहता है। एक पौधा जिसे मादा के रूप में पहचाना गया था, अचानक नर फूल उत्पन्न कर सकता है, या एक ही पौधा अलग-अलग शाखाओं पर नर और मादा दोनों फूल धारण कर सकता है, जिसे मोनोइसी (monoecy) कहा जाता है। इस परिवर्तनशीलता ने यह अनुमान लगाना कठिन बना दिया है कि एक पौधे का एक बढ़ती सीजन से दूसरे में व्यवहार कैसा होगा।

इस रहस्य को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने पौधे के जीनोम की ओर रुख किया, जो इसकी कोशिकाओं में मौजूद आनुवंशिक निर्देशों का संपूर्ण सेट है। उन्होंने गुणसूत्रों के एक विशिष्ट जोड़े पर ध्यान केंद्रित किया, जिन्हें Z और W गुणसूत्र के रूप में जाना जाता है, जो इस प्रजाति में लिंग निर्धारण के लिए जिम्मेदार हैं। इस प्रणाली में, दो Z गुणसूत्रों वाले पौधे हमेशा नर होते हैं, जबकि एक Z और एक W गुणसूत्र वाले पौधे मादा, नर या मोनोइसी (दोनों लिंग वाले) हो सकते हैं। टीम ने एक एकल याम पौधे से इन गुणसूत्रों का उच्च-रिज़ॉल्यूशन मानचित्र तैयार किया, जो नर और मादा दोनों फूल प्रदर्शित कर रहा था। इसने उन्हें दोनों वर्जनों के गुणसूत्रों की तुलना अगल-बगल करने और उन विशिष्ट आनुवंशिक अंतरों को खोजने की अनुमति दी जो लिंग के बीच के स्विच को ट्रिगर कर सकते हैं।

उनकी जांच ने W गुणसूत्र पर एक विशिष्ट क्षेत्र का खुलासा किया जो Z गुणसूत्र से गायब है। यह क्षेत्र, जो आनुवंशिक कोड के लगभग 170,000 अक्षरों तक फैला हुआ है, में एक अद्वितीय जीन है जो एक माइक्रोआरएनए का उत्पादन करता है। माइक्रोआरएनए छोटे अणु होते हैं जो नियामक के रूप में कार्य करते हैं, अन्य आनुवंशिक संदेशों से जुड़ते हैं और उन्हें शांत (silence) करते हैं। व्हाइट गिनी याम में, यह विशिष्ट माइक्रोआरएनए, जिसे dro-miR432 नाम दिया गया है, केवल उन पौधों में पाया जाता है जिनमें W गुणसूत्र होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह अणु PGL3 नामक जीन को लक्षित करता है, जो पराग (pollen) के विकास में शामिल है। जब माइक्रोआरएनए मौजूद होता है, तो यह PGL3 जीन को दबा देता है, प्रभावी रूप से नर फूलों के उत्पादन को कम कर देता है। जब माइक्रोआरएनए अनुपस्थित होता है या कम सक्रिय होता है, तो PGL3 जीन स्वतंत्र रूप से कार्य करने के लिए स्वतंत्र होता है, जिससे नर फूलों का विकास होता है।

अध्ययन इस बात के पुख्ता सबूत प्रदान करता है कि इस माइक्रोआरएनए की उपस्थिति ही इन यामों में देखी जाने वाली अस्थिर लिंग अभिव्यक्ति की कुंजी है। जिन पौधों में माइक्रोआरएनए पूरी तरह से सक्रिय होता है, वहां नर-विकास वाले जीन का दमन मादा फूलों की ओर ले जाता है। हालांकि, चूंकि यह प्रणाली एक स्थायी संरचनात्मक परिवर्तन के बजाय एक नियामक अणु पर निर्भर करती है, इसलिए दमन का स्तर भिन्न हो सकता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि इस माइक्रोआरएनए की मात्रा उतार-चढ़ाव करती है, जो यह समझाता है कि क्यों एक ही पौधा एक वर्ष मादा फूल और दूसरे वर्ष में नर फूल उत्पन्न कर सकता है। उन्होंने तंबाकू के पौधे में इस माइक्रोआरएनए जीन को डालकर और यह दिखाकर कि इसने सफलतापूर्वक लक्ष्य जीन को शांत कर दिया, ठीक वैसे ही जैसे यह याम में करता है, इस तंत्र की पुष्टि की।

यह खोज याम के विकासवादी इतिहास पर भी प्रकाश डालती है। शोधकर्ताओं ने व्हाइट गिनी याम के लिंग गुणसूत्रों की तुलना वाइल्ड याम और वॉटर याम नामक दो अन्य याम प्रजातियों के साथ की। उन्होंने पाया कि व्हाइट गिनी याम लिंग निर्धारित करने के लिए पूरी तरह से अलग जीन सेट और अलग प्रकार के गुणसूत्र व्यवस्था का उपयोग करता है। जबकि अन्य प्रजातियां विभिन्न आनुवंशिक स्विचों पर निर्भर करती हैं, व्हाइट गिनी याम ने इस माइक्रोआरएनए-आधारित प्रणाली को अपेक्षाकृत हाल ही में विकसित किया है। इस प्रणाली के लिए जिम्मेदार आनुवंशिक क्षेत्र संभवतः इसके जंगली पूर्वजों से विरासत में मिला है, जो समान आनुवंशिक भिन्नता भी रखते हैं। यह सुझाव देता है कि खेती किए गए याम में लिंग की अस्थिरता कोई दोष नहीं है, बल्कि इसके जंगली मूल का एक अवशेष है, जहाँ लचीलापन एक लाभ हो सकता था।

इस खोज के निहितार्थ बुनियादी विज्ञान से परे हैं। इस विशिष्ट आनुवंशिक स्विच की पहचान करके, ब्रीडर्स के पास इस फसल को स्थिर करने के लिए एक संभावित उपकरण है। यदि वैज्ञानिक इस माइक्रोआरएनए की गतिविधि को नियंत्रित करना सीख जाते हैं, तो वे ऐसी याम किस्में बना सकते हैं जो लगातार केवल एक ही प्रकार का फूल उत्पन्न करती हैं, या शायद ऐसे पौधे जो विश्वसनीय रूप से नर और मादा दोनों फूल उत्पन्न करते हैं। इससे किसान अपने फसलों का स्व-परागण कर सकेंगे, जिससे प्रजनन प्रक्रिया की गति नाटकीय रूप से बढ़ जाएगी और अधिक उत्पादक और लचीली नई किस्मों का तेजी से विकास संभव होगा। एक ऐसी फसल के लिए जो वैश्विक आबादी के एक बड़े हिस्से का पेट भरती है, इस आनुवंशिक स्विच को समझना और इसमें महारत हासिल करना आने वाले वर्षों में खाद्य सुरक्षा सुनिश्चित करने की दिशा में एक परिवर्तनकारी कदम हो सकता है।