Chromosome level haplotype resolved genome assembly of the apple cultivar Cripps Pink (Pink Lady ® )

कृषि की दुनिया में, सेब जितनी परिचित या आर्थिक रूप से महत्वपूर्ण फसल बहुत कम हैं। दशकों से, वैज्ञानिक कई पौधों के आनुवंशिक निर्देशों को पढ़ने में सक्षम रहे हैं, लेकिन सेब एक विशेष रूप से कठिन पहेली बना हुआ है। उन फसलों के विपरीत जिन्हें एक-दूसरे की लगभग समान प्रतियां बनने के लिए विकसित किया गया है, अधिकांश सेब के पेड़ आनुवंशिक स्तर पर अत्यधिक मिश्रित होते हैं, जिनमें दो अलग-अलग निर्देशों के सेट होते हैं जो एक-दूसरे से काफी भिन्न हो सकते हैं। इस जटिलता ने सेब के जीनोम का एक पूर्ण और सटीक मानचित्र बनाना कठिन बना दिया है, जिससे शोधकर्ताओं को एक खंडित दृश्य मिला है जो फल की गुणवत्ता, रोग प्रतिरोधक क्षमता और पेड़ के बढ़ने के तरीके के लिए जिम्मेदार सूक्ष्म विविधताओं को छोड़ देता है। एक स्पष्ट, उच्च-रिज़ॉल्यूशन मानचित्र के बिना, यह समझना कि कुछ सेब बेहतर स्वाद क्यों देते हैं, लंबे समय तक कैसे स्टोर रहते हैं, या वे विशिष्ट तरीकों से रंग क्यों बदलते हैं, एक धीमी और अक्सर अनुमान लगाने वाली प्रक्रिया रही है।

अब, शोधकर्ताओं ने अंततः दुनिया की सबसे महत्वपूर्ण सेब किस्मों में से एक: क्रिप्स पिंक (Cripps Pink) के लिए एक पूर्ण, अंतराल-रहित (gap-free) मानचित्र तैयार कर लिया है, जिसे व्यावसायिक रूप से 'पिंक लेडी' (Pink Lady) के रूप में जाना जाता है। पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया में विकसित यह किस्म अपनी कुरकुरी बनावट, तीखी-मीठी सुगंध और महीनों तक ताज़ा रहने की उल्लेखनीय क्षमता के लिए विश्व स्तर पर सराही जाती है। इसकी व्यावसायिक प्रधानता के बावजूद, उच्च-गुणवत्ता वाले आनुवंशिक ब्लूप्रिंट की कमी ने वैज्ञानिकों की इसकी अद्वितीय विशेषताओं या उन स्वतःस्फूर्त उत्परिवर्तनों (mutations) का अध्ययन करने की क्षमता को सीमित कर दिया था, जो 'रोजी ग्लो' (Rosy Glow) या 'रूबी पिंक' (Ruby Pink) जैसे लोकप्रिय रंग परिवर्तनों को जन्म देते हैं। पेड़ के दो अलग-अलग आनुवंशिक हिस्सों को अलग करते हुए एक विस्तृत, गुणसूत्र-स्तरीय (chromosome-level) संयोजन बनाकर, टीम ने इस प्रिय फल के आनुवंशिक आर्किटेक्चर में कहीं अधिक गहरी नज़र डालने के लिए एक आधार प्रदान किया है।

अध्ययन की शुरुआत एक सरल लेकिन महत्वपूर्ण कदम के साथ हुई: पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया के मैनजिप (Manjimup) हॉर्टिकल्चर रिसर्च इंस्टीट्यूट में एक क्रिप्स पिंक पेड़ से ताजी पत्तियां एकत्र करना। शोधकर्ताओं ने इन पत्तियों से डीएनए निकाला, यह सुनिश्चित करते हुए कि स्ट्रैंड लंबे और अखंड हों, जो उस उन्नत अनुक्रमण (sequencing) तकनीक के लिए एक आवश्यकता थी जिसका वे उपयोग करने की योजना बना रहे थे। फिर उन्होंने 'पैसिओ हाईफाई' (PacBio HiFi) अनुक्रमण पद्धति का उपयोग किया, जो उच्च सटीकता के साथ आनुवंशिक कोड के लंबे हिस्सों को पढ़ती है, जो प्रभावी रूप से डीएनए स्ट्रैंड्स को छोटे, भ्रमित करने वाले टुकड़ों में तोड़े बिना उनकी पूरी लंबाई को कैप्चर करती है। इन लंबे रीड्स को एक सुसंगत संरचना में व्यवस्थित करने के लिए, उन्होंने 'ओम्नी-सी' (Omni-C) नामक तकनीक का उपयोग करके डेटा की एक और परत जोड़ी, जो यह मानचित्रित करती है कि डीएनए के विभिन्न हिस्से कोशिका केंद्रक (nucleus) के भीतर भौतिक रूप से कैसे परस्पर क्रिया करते हैं और मुड़ते हैं। यह इंटरेक्शन डेटा एक मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है, जिससे कंप्यूटर सॉफ्टवेयर को यह समझने में मदद मिलती है कि पहेली के कौन से टुकड़े एक साथ होने चाहिए और उन्हें कैसे व्यवस्थित किया जाना चाहिए।

लंबे रीड्स और इंटरेक्शन मैप्स के इस संयोजन का उपयोग करते हुए, टीम ने जीनोम को दो अलग-अलग संस्करणों में संयोजित किया, जो पेड़ द्वारा विरासत में प्राप्त दो अलग-अलग गुणसूत्रों (chromosomes) के सेट का प्रतिनिधित्व करते हैं। परिणाम लगभग 657 मिलियन बिल्डिंग ब्लॉक्स का एक प्राथमिक संयोजन है, जो दो अलग-अलग हैप्लोटाइप्स (haplotypes), या आनुवंशिक संस्करणों में विभाजित है, जो क्रमशः लगभग 653 मिलियन और 646 मिलियन बिल्डिंग ब्लॉक्स के हैं। प्रत्येक संस्करण को सफलतापूर्वक 17 गुणसूत्रों में व्यवस्थित किया गया जो सेब प्रजाति को परिभाषित करते हैं। इस मानचित्र की गुणवत्ता असाधारण रूप से उच्च है; शोधकर्ताओं ने सत्यापित किया कि मूल डीएनए अनुक्रम का लगभग हर हिस्सा अंतिम संयोजन में पाया जा सकता है, और त्रुटियां इतनी दुर्लभ थीं कि वे प्रति दस लाख कोड अक्षरों में दो गलतियों से भी कम होंगी। यह मानचित्र अंतराल-रहित (gap-free) भी है, जिसका अर्थ है कि गुणसूत्रों के बीच कोई खंड गायब नहीं है, जो सेब के जीनोम के पिछले, अधिक खंडित प्रयासों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है।

मानचित्र हाथ में आने के बाद, शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान इस ओर लगाया कि कोड में वास्तव में क्या लिखा है। उन्होंने प्रत्येक संस्करण के जीनोम में 53,000 से 54,000 प्रोटीन-कोडिंग जीन की पहचान की, जो पेड़ की जीव विज्ञान की जटिलता को दर्शाता है। इन सभी जीनों को ज्ञात कार्यों के साथ जोड़ा गया था, जिससे वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद मिली कि पेड़ का प्रत्येक हिस्सा क्या करता है, चाहे वह इसकी संरचना बनाने से लेकर पर्यावरण के प्रति इसकी प्रतिक्रिया को प्रबंधित करने तक हो। टीम ने यह भी पाया कि जीनोम का एक बड़ा हिस्सा, लगभग 65 प्रतिशत, पुनरावृत्ति तत्वों (repetitive elements) से बना है, जो ऐसे अनुक्रम हैं जो डीएनए में खुद को कॉपी और पेस्ट करते हैं। ये रिपीट केवल 'फिलर' नहीं हैं; वे इस भूमिका में खेलते हैं कि जीनोम कैसे विकसित होता है और गुणसूत्र कैसे व्यवस्थित होते हैं, विशेष रूप से उन केंद्रीय क्षेत्रों के आसपास जहाँ गुणसूत्र कोशिका विभाजन तंत्र के साथ जुड़ते हैं।

इस नए मानचित्र का सबसे मूल्यवान पहलू यह है कि यह पेड़ के दो आनुवंशिक संस्करणों को अलग करता है, जिससे वैज्ञानिक उन अंतरों को देख सकते हैं जो पहले छिपे हुए थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि हालांकि दोनों आधे जीनोम बहुत समान हैं, वे एक समान नहीं हैं। इसमें स्पष्ट संरचनात्मक अंतर हैं, जिसमें डीएनए के बड़े खंड शामिल हैं जो एक संस्करण की तुलना में दूसरे में उलट (flipped) दिए गए हैं, और एक गुणसूत्र पर एक महत्वपूर्ण पुनर्गठन है जहाँ आनुवंशिक सामग्री का एक बड़ा ब्लॉक दूसरी जगह स्थानांतरित हो गया है। ये विविधताएं महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे इस बात को प्रभावित कर सकती हैं कि पेड़ कैसे बढ़ता है और उसके फल का विकास कैसे होता है। उदाहरण के लिए, मानचित्र ने दो संस्करणों के बीच कुछ मोबाइल आनुवंशिक तत्वों के वितरण में विशिष्ट अंतर प्रकट किया, जो यह समझाने में मदद कर सकता है कि क्यों कुछ पेड़ थोड़े अलग विशेषताओं वाले फल पैदा करते हैं।

शोधकर्ताओं ने जीनोम के गैर-कोडिंग (non-coding) भागों की भी जांच की, जो प्रोटीन नहीं बनाते हैं लेकिन जीन को चालू और बंद करने के नियमन के लिए आवश्यक हैं। उन्होंने हजारों ट्रांसफर आरएनए (transfer RNAs) और अन्य छोटे आरएनए अणुओं की पहचान की जो कोशिका के नियंत्रण तंत्र के रूप में कार्य करते हैं। सभी गुणसूत्रों में इन नियामक तत्वों की उपस्थिति इस बात की पुष्टि करती है कि संयोजन जीनोम के पूर्ण कार्यात्मक परिदृश्य को कैप्चर करता है। इसके अलावा, टीम ने विशिष्ट पुनरावृत्ति डीएनए और कम जीन घनत्व को देखकर गुणसूत्रों के सेंट्रोमियर (centromeres), जो कोशिका विभाजन के लिए महत्वपूर्ण गुणसूत्रों के केंद्रीय क्षेत्र हैं, के स्थानों को मैप किया। यह विस्तृत संरचनात्मक जानकारी गुणसूत्र वास्तुकला की एक पूर्ण तस्वीर प्रदान करती है, जो सेब के जीनोम के पिछले, खंडित संस्करणों के साथ संभव नहीं थी।

यह कार्य केवल एक संदर्भ प्रदान करने से कहीं अधिक है; यह उन विशिष्ट आनुवंशिक परिवर्तनों को समझने के द्वार खोलता है जो आज के बागानों में देखे जाने वाले विभिन्न प्रकार के पिंक लेडी सेबों को बनाते हैं। चूंकि मानचित्र इतना पूर्ण और सटीक है, इसलिए वैज्ञानिक अब विभिन्न किस्मों की तुलना कर सकते हैं और यहाँ तक कि उन सटीक आनुवंशिक उत्परिवर्तनों को भी देख सकते हैं जो एक पेड़ को पीले के बजाय लाल फल पैदा करने या 'स्पर' (spur) आकार में बढ़ने के लिए प्रेरित करते हैं। दो आनुवंशिक संस्करणों को अलग-अलग देखने की क्षमता का अर्थ है कि शोधकर्ता यह अध्ययन कर सकते हैं कि एक जनक से दूसरे जनक की तुलना में विशिष्ट जीन कैसे व्यक्त (express) होते हैं, जो कि पहले पहुंच से बाहर का विवरण था। यह स्पष्टता प्रजनन कार्यक्रमों (breeding programs) के लिए आवश्यक है, क्योंकि यह ब्रीडर्स को अधिक सटीकता के साथ वांछित गुणों के लिए चयन करने की अनुमति देती है, जिससे संभावित रूप से ऐसी नई किस्में विकसित हो सकती हैं जो बदलते जलवायु और उपभोक्ता प्राथमिकताओं के लिए और भी बेहतर अनुकूल हों।

इस अध्ययन में उत्पन्न डेटा को सार्वजनिक रूप से उपलब्ध करा दिया गया है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि दुनिया भर के वैज्ञानिक अपने स्वयं के अनुसंधान को गति देने के लिए इस उच्च-गुणवत्ता वाले मानचित्र का उपयोग कर सकें। दुनिया की सबसे महत्वपूर्ण सेब किस्मों में से एक को समझने में एक बड़ी बाधा को दूर करके, शोधकर्ताओं ने एक पूर्ण, गुणसूत्र-स्तरीय दृष्टिकोण प्रदान किया है। यह संसाधन जीनोम विकास, नए जीन की खोज और फल की गुणवत्ता एवं भंडारण से जुड़े लक्षणों के विश्लेषण पर भविष्य के अध्ययनों का समर्थन करेगा। जैसे ही वैज्ञानिक समुदाय इस नए मानचित्र का अन्वेषण करना शुरू करेगा, सेब के आनुवंशिक कोड के रहस्यों को खोलने और भविष्य की पीढ़ियों के लिए फल को बेहतर बनाने की क्षमता पहले से कहीं अधिक बढ़ गई है।