Genetic architecture of salt tolerance in maize seedlings uncovered by GWAS and evolutionary genomics

नमक मिट्टी में एक खामोश चोर की तरह है, जो पौधों से पानी चुरा लेता है और उन्हें जहरीले आयनों से ज़हरीला बना देता है, एक ऐसी समस्या जो दुनिया भर में फसलों को कम कर देती है। मक्का उगाने वाले किसानों के लिए, यह खतरा विशेष रूप से तब खतरनाक होता है जब फसल केवल एक नन्हा पौधा होती है, जो एक अत्यंत नाजुक अवस्था है जहाँ एक छोटी सी चूक पूरे पौधे को लंबा होने का मौका मिलने से पहले ही मार सकती है। वैज्ञानिकों को लंबे समय से पता है कि मक्के की कुछ किस्में इस कठोर वातावरण को दूसरों की तुलना में बेहतर तरीके से सहन कर सकती हैं, लेकिन पौधे के डीएनए के भीतर छिपे वे विशिष्ट निर्देश जो इसे जीवित रहने की अनुमति देते हैं, काफी हद तक एक रहस्य बने हुए हैं। एक पौधे के जीवित रहने के तरीके को समझने के लिए, शोधकर्ता इसके जीनोम को देखते हैं, जो आनुवंशिक निर्देशों का संपूर्ण सेट है जो यह तय करता है कि वह कितना लंबा बढ़ेगा या तनाव को कैसे संभालेगा। विभिन्न मक्का किस्मों के डीएनए की तुलना करके, वैज्ञानिक उन विशिष्ट अंतरों को खोज सकते हैं जो जीवित रहने वालों को पीड़ितों से अलग करते हैं, इस उम्मीद में कि वे ऐसी फसलें उगाने के लिए उस ज्ञान का उपयोग कर सकें जो वहां भी फल-फूल सकें जहां अन्य विफल हो जाते हैं।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, हेनान एग्रीकल्चरल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने मक्के के पौधों में नमक सहने की क्षमता के इन छिपे हुए निर्देशों का मानचित्र बनाने का लक्ष्य रखा। उन्होंने 265 अलग-अलग मक्का लाइनों का एक विविध समूह एकत्र किया, जो व्यापक आनुवंशिक पृष्ठभूमि का प्रतिनिधित्व करते हैं, और उन्हें एक नियंत्रित वातावरण में उगाया। आधे पौधों को सामान्य पोषक घोल से सींचा गया, जबकि दूसरे आधे को खारे घोल के संपर्क में लाया गया, जो लवणीय मिट्टी की कठोर स्थितियों की नकल करता था। एक सप्ताह के दौरान, टीम ने तेईस अलग-अलग लक्षणों को सूक्ष्मता से मापा, जिसमें शूट और जड़ों का वजन से लेकर जड़ों की लंबाई और पौधों की कुल ऊंचाई तक शामिल थे। प्रत्येक किस्म के सामान्य पानी बनाम नमक वाले पानी में प्रदर्शन की तुलना करके, शोधकर्ता सटीक रूप से गणना कर सके कि प्रत्येक पौधे को कितना नुकसान हुआ और किन आनुवंशिक विशेषताओं ने उन्हें इससे निपटने में मदद की।

जीनोम-वाइड एसोसिएशन स्टडी नामक एक शक्तिशाली पद्धति का उपयोग करते हुए, टीम ने सभी 265 लाइनों के डीएनए को स्कैन किया, और डीएनए कोड में उन सूक्ष्म विविधताओं की तलाश की जो नमक से बचने वाले पौधों में अधिक बार दिखाई दीं। उन्होंने 1.2 मिलियन से अधिक आनुवंशिक मार्करों का विश्लेषण किया, और उन पैटर्न की खोज की जो विशिष्ट डीएनए अनुक्रमों को बेहतर प्रदर्शन से जोड़ते थे। परिणामों से पता चला कि नमक सहने की क्षमता किसी एक "जादुई" जीन द्वारा नियंत्रित नहीं होती है, बल्कि कई अलग-अलग आनुवंशिक क्षेत्रों के एक जटिल नेटवर्क द्वारा नियंत्रित होती है। अध्ययन ने मक्के के जीनोम में दर्जनों विशिष्ट स्थानों की पहचान की जो इस बात को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं कि पौधे तनाव को कितनी अच्छी तरह संभालते हैं। दिलचस्प बात यह है कि शोधकर्ताओं ने पाया कि जो जीन सामान्य मिट्टी में पौधे को अच्छी तरह बढ़ने में मदद करते हैं, वे अक्सर उन जीनों से अलग होते हैं जो उसे नमकीन मिट्टी में जीवित रहने में मदद करते हैं। यह सुझाव देता है कि नमक के तनाव से बचने के लिए उपकरणों के एक विशेष सेट की आवश्यकता होती है, जो सामान्य विकास के लिए उपयोग किए जाने वाले सामान्य तंत्र से अलग है।

सैकड़ों संभावित उम्मीदवारों में से, टीम ने उन जीनों के एक छोटे समूह पर ध्यान केंद्रित किया जो सबसे आशाजनक लग रहे थे। उन्होंने दो विशिष्ट मक्का लाइनों के पत्तों, शूट और जड़ों में उनकी सक्रियता की जांच करने के लिए नौ जीन चुने: एक जो नमक के प्रति बहुत सहनशील है और दूसरा जो बहुत संवेदनशील है। जब उन्होंने इन पौधों को नमक के संपर्क में लाया, तो उन्होंने व्यवहार में एक स्पष्ट अंतर देखा। सहनशील लाइन में, चार विशिष्ट जीन पूरे पौधे में मजबूती से और तेजी से सक्रिय हुए, जो एक समन्वित आपातकालीन प्रतिक्रिया टीम की तरह कार्य करते हैं। संवेदनशील लाइन में, ये समान जीन या तो बिल्कुल सक्रिय नहीं हुए या कमजोर रूप से और केवल विशिष्ट ऊतकों में प्रतिक्रिया दी। जीवित रहने वाले पौधे में इस तरह के व्यापक सक्रियण ने सुझाव दिया कि ये चार जीन तनाव को सहने की पौधे की क्षमता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

शोधकर्ताओं ने इन चार जीनों के इतिहास को गहराई से देखा कि वे समय के साथ कैसे बदले हैं। उन्होंने आधुनिक मक्के की तुलना उसके जंगली पूर्वज, टीओसिनटे (teosinte) नामक एक घास से की। उन्होंने पाया कि दो जीनों में मक्के के घरेलूकरण के दौरान मानव चयन द्वारा आकार लेने के स्पष्ट संकेत थे। इसका अर्थ यह है कि शुरुआती किसानों ने, शायद बिना यह जाने भी, इन विशिष्ट आंशिक रूपों का चयन किया होगा क्योंकि वे फसल को कठिन परिस्थितियों में जीवित रहने में मदद करते थे। अन्य दो जीन अपनी मूल जंगली विविधता को बनाए रखने में सफल रहे, जिससे पता चलता है कि उन पर शुरुआती प्रजननकर्ताओं का उतना तीव्र दबाव नहीं था। इन जीनों के विभिन्न संस्करणों, या हैप्लोटाइप्स (haplotypes) का विश्लेषण करके, टीम ने विशिष्ट आनुवंशिक संयोजनों की पहचान की जो बेहतर प्रदर्शन से जुड़े थे। उदाहरण के लिए, एक जीन का संस्करण लगातार उन पौधों में पाया गया जो नमक के तनाव के तहत भी स्वस्थ जड़ आयतन बनाए रखते थे, जबकि दूसरा संस्करण बेहतर समग्र वजन वृद्धि से जुड़ा था।

यह कार्य मक्का प्रजनन के भविष्य के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह जानकर कि कौन से जीन और उन जीनों के कौन से संस्करण नमक सहने के लिए जिम्मेदार हैं, ब्रीडर्स अब अगली पीढ़ी की फसलों के लिए सर्वश्रेष्ठ माता-पिता चुनने के लिए इस जानकारी का उपयोग कर सकते हैं। यह अनुमान लगाने के बजाय कि कौन से पौधे जीवित रहेंगे, वे इन विशिष्ट आनुवंशिक मार्करों की तलाश कर सकते हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि संतान में लवणीय मिट्टी को संभालने की क्षमता विरासत में मिले। अध्ययन ने चार उच्च-विश्वास वाले जीनों की पहचान की है जो आगे के अनुसंधान और विकास के लिए प्राथमिक लक्ष्य के रूप में कार्य करते हैं। हालांकि वैज्ञानिक नोट करते हैं कि कोशिका के भीतर ये जीन वास्तव में कैसे कार्य करते हैं, इसकी पुष्टि करने के लिए और अधिक काम की आवश्यकता है, लेकिन आनुवंशिक स्कैन, विकास माप और विकासवादी इतिहास से प्राप्त साक्ष्य उनके महत्व के लिए एक मजबूत मामला बनाते हैं। अंततः, यह शोध नमक के कारण खेती असंभव होने वाले क्षेत्रों में मक्का उगाने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है, जो एक आनुवंशिक रहस्य को खाद्य सुरक्षा के उपकरण में बदल देता है।