Population genomics of transcontinental grapevines reveals divergent evolutionary trajectories and cis-regulatory mechanisms underlying cold adaptation
यह अध्ययन ट्रांसकॉन्टिनेंटल जनसंख्या जीनोमिक्स और कार्यात्मक सत्यापन को एकीकृत करता है ताकि यह प्रकट किया जा सके कि अंगूर की बेल में शीत अनुकूलन के विचलित विकासवादी प्रक्षेपवक्र शीतकालीन तापीय व्यवस्थाओं द्वारा संचालित होते हैं, विशेष रूप से एक सिस-रेगुलेटरी तंत्र के माध्यम से जहाँ *vvi-miR169g*, *NF-YA* ट्रांसक्रिप्ट को क्लीव करके शीत सहनशीलता को नकारात्मक रूप से नियंत्रित करता है।
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दशकों तक जीवित रहने वाले पौधों को उन पौधों की तुलना में एक अलग चुनौती का सामना करना पड़ता है जो केवल एक मौसम के लिए जीवित रहते हैं। जबकि एक वार्षिक पौधा अगले वर्ष बेहतर मौसम के वापस आने का इंतज़ार कर सकता है, एक बारहमासी पेड़ या बेल को वसंत में फिर से बढ़ने के लिए जीवित रहने हेतु सर्दियों की कठोर परिस्थितियों का सामना करना पड़ता है। अंगूर की बेलों के लिए, जो एक वैश्विक उद्योग का आधार हैं, पाले के तापमान को सहना जीवन और मृत्यु का प्रश्न है। ठंड सहने की क्षमता केवल मोटी छाल होने के बारे में नहीं है; यह एक जटिल जैविक प्रक्रिया है जिसमें यह शामिल है कि पौधा अपने स्वयं के आनुवंशिक निर्देशों को कैसे पढ़ता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि दुनिया के विभिन्न हिस्सों के पौधों ने ठंड से निपटने के अलग-अलग तरीके विकसित किए हैं, लेकिन वे विशिष्ट आनुवंशिक स्विच जो कुछ बेलों को जमने से बचाते हैं जबकि अन्य नष्ट हो जाती हैं, छिपे हुए रहे हैं। इन तंत्रों को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि वैश्विक जलवायु बदल रही है, जो कई पारंपरिक वाइन-बढ़ने वाले क्षेत्रों को उनकी सीमाओं से परे धकेलने का खतरा पैदा कर रही है।
शंघाई जियाओ टोंग यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने दुनिया भर की अंगूर की बेलों के डीएनए की जांच करके इस रहस्य की परतों को अब खोल दिया है। उन्होंने 223 अलग-अलग अंगूर की बेलों के नमूनों का एक विशाल संग्रह एकत्र किया, जिसमें उत्तरी अमेरिका में पाए जाने वाले प्राचीन जंगली किस्मों से लेकर यूरोप में हजारों वर्षों से उगाई जाने वाली खेती वाली बेलें शामिल हैं। इन पौधों के संपूर्ण जेनेटिक कोड को अनुक्रमित (sequence) करके और उनकी तुलना उन जलवायु क्षेत्रों से करके जहाँ वे स्वाभाविक रूप से उगते हैं, वैज्ञानिकों ने इस बात का खुलासा किया कि इन दो समूहों ने किस प्रकार अलग तरह से विकास किया। यूरोपीय बेलें, जिन्हें फल की गुणवत्ता के लिए विकसित किया गया था, ने एक विकासवादी पथ का अनुसरण किया, जबकि जंगली उत्तरी अमेरिकी बेलों ने, जिन्हें अपने दम पर भीषण सर्दियों का सामना करना पड़ा था, पूरी तरह से अलग पथ का अनुसरण किया। अध्ययन से पता चलता है कि जंगली बेलों ने 'पोस्ट-ट्रांसक्रिप्शनल रेगुलेशन' (अनुलेखन के बाद का नियमन) की एक परिष्कृत प्रणाली विकसित की, जो जीन को नियंत्रित करने की एक विधि है जो जेनेटिक कोड पढ़े जाने के बाद होती है, जिससे पाले के तापमान के प्रति एक लचीली और तीव्र प्रतिक्रिया मिलती है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि इस विकासवादी विभाजन का प्राथमिक चालक वर्ष का सबसे ठंडा महीना था। उन्नत सांख्यिकीय मॉडलों का उपयोग करते हुए, उन्होंने दिखाया कि इस विशिष्ट थर्मल फिल्टर ने जंगली उत्तरी अमेरिकी आबादी के आनुवंशिक स्वरूप को उनके बीच की दूरी या अन्य पर्यावरणीय कारकों की तुलना में कहीं अधिक आकार दिया। इसके विपरीत, यूरोपीय बेलें, जिन्हें मनुष्यों द्वारा पालतू बनाया गया और स्थानांतरित किया गया, उनमें फल की मिठास और रंग पर केंद्रित चयन के संकेत मिले, न कि अत्यधिक ठंड से बचने पर। जब टीम ने इन विभिन्न बेलों को नियंत्रित कोल्ड स्ट्रेस टेस्ट (ठंड के तनाव का परीक्षण) के अधीन रखा, तो अंतर भौतिक रूप से दृश्यमान हो गया। उत्तरी अमेरिकी बेलों ने 24 घंटों तक जमने के बाद भी अपने प्रकाश संश्लेषण तंत्र (photosynthetic machinery) को बनाए रखा, जो पौधे को शक्ति देने वाला इंजन है। हालांकि, यूरोपीय बेलों में प्रकाश संश्लेषण की दक्षता तेजी से गिर गई, और उनकी पत्तियां भूरी होकर मरने लगीं।
इस अंतर के केंद्र में गुणसूत्र 8 पर स्थित एक विशिष्ट जेनेटिक स्विच है। शोधकर्ताओं ने vvi-miR169g नामक जीन के ठीक पहले के क्षेत्र की पहचान की, जो एक मास्टर रेगुलेटर के रूप में कार्य करता है। यह जीन रक्षा संबंधी जीनों के ट्रांसक्रिप्ट्स को लक्षित और खंडित करके ठंड के प्रति सहनशीलता को नकारात्मक रूप से नियंत्रित करता है। ठंडी-संवेदनशील यूरोपीय बेलों में, इस जीन के प्रमोटर क्षेत्र में विशिष्ट भिन्नताएं एक "डी नोवो" (de novo) मोटिफ बनाती हैं जो संभवतः उच्च अभिव्यक्ति (expression) को प्रेरित करती है, जिससे पौधे की रक्षा प्रणाली दबी रहती है। इसके विपरीत, ठंडी-सहनशील उत्तरी अमेरिकी बेलों में इसी क्षेत्र में एक अलग आनुवंशिक संस्करण (एक विशिष्ट हैप्लोटाइप) है जो अधिक संतुलित नियमन की अनुमति देता है, जिससे रक्षा तंत्र का अत्यधिक दमन नहीं होता है। अध्ययन ने पुष्टि की कि यह जीन एंटीऑक्सीडेंट उत्पादन के लिए जिम्मेदार जीनों के एक अन्य सेट को लक्षित करके काम करता है। जब ठंड आती है, तो उत्तरी अमेरिकी बेलें ऐसी स्थिति बनाए रखती हैं जहाँ vvi-miR169g जीन इन रक्षा प्रणालियों को अत्यधिक दबाता नहीं है, जिससे पौधा अपनी कोशिकाओं को नुकसान से बचाने के लिए एंटीऑक्सीडेंट का उत्पादन कर पाता है। यूरोपीय बेलें, अपने विशिष्ट प्रमोटर विविधताओं के साथ, यह समायोजन करने में विफल रहती हैं, जिससे वे ठंड के तनाव के प्रति संवेदनशील हो जाती हैं।
इस तंत्र को सिद्ध करने के लिए, वैज्ञानिकों ने प्रयोग किया जहाँ उन्होंने कृत्रिम रूप से अंगूर की बेल के ऊतकों में जीन को परिवर्तित किया। जब उन्होंने vvi-miR169g जीन की गतिविधि को बढ़ाया, तो पौधे ठंड के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हो गए और उन्हें गंभीर क्षति हुई। इसके विपरीत, जब उन्होंने जीन को शांत (silence) कर दिया, तो वे जमने के प्रति काफी अधिक प्रतिरोधी हो गए, और तनाव के तहत भी अपने स्वास्थ्य और प्रकाश संश्लेषण शक्ति को बनाए रखा। इसने पुष्टि की कि यह जीन एक नकारात्मक नियामक के रूप में कार्य करता है, जो पौधे की ठंड सहने की क्षमता पर एक ब्रेक की तरह है, और इस ब्रेक को हटाना अस्तित्व के लिए महत्वपूर्ण है। अध्ययन ने भविष्य को भी देखा, जिसमें कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके यह सिम्युलेट किया गया कि ये आनुवंशिक पैटर्न अनुमानित जलवायु परिवर्तन परिदृश्यों के तहत कैसे टिकेंगे। परिणाम बताते हैं कि जबकि कुछ जंगली उत्तरी अमेरिकी आबादी गर्म होते सर्दियों के कारण संघर्ष कर सकती है, कुछ यूरोपीय किस्में भी पारंपरिक वाइन क्षेत्रों में चरम ठंड की घटनाओं के कारण स्थानीय जोखिमों का सामना कर सकती हैं।
यह कार्य एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है कि कैसे एक बारहमासी फसल अपने पर्यावरण के अनुकूल होती है, जो केवल उत्तरजीविता के सरल अवलोकनों से आगे बढ़कर आणविक स्तर तक पहुँचती है। यह दिखाता है कि एक ऐसी बेल जो ठंड झेल लेती है और एक जो मर जाती है, के बीच का अंतर अक्सर डीएनए अनुक्रम में उन कुछ विशिष्ट परिवर्तनों पर निर्भर करता है जो जीन के चालू और बंद होने को नियंत्रित करते हैं। इन सटीक आनुवंशिक लक्ष्यों की पहचान करके, यह अध्ययन अंगूर की बेलों के प्रजनन के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है जो बदलती दुनिया की अप्रत्याशित मौसम स्थितियों का सामना कर सकें। निष्कर्षों से पता चलता है कि इन नियामक स्विचों में बदलाव करके, वैज्ञानिक फल की गुणवत्ता से समझौता किए बिना उच्च गुणवत्ता वाली यूरोपीय किस्मों की ठंड सहने की क्षमता को बढ़ा सकते हैं, जिससे गर्म होती दुनिया में विटिकल्चर (द्राक्ष कृषि) का भविष्य सुरक्षित हो सके।
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