Comparative mitogenome assembly and structural evolution across Perilla frutescens and closely related taxa using whole-genome sequencing data

कोशिका के शांत कोनों में, केंद्रक (न्यूक्लियस) से दूर जहाँ मुख्य आनुवंशिक निर्देश रखे जाते हैं, दो नन्हे ऊर्जा केंद्र स्थित हैं: माइटोकॉन्ड्रिया और क्लोरोप्लास्ट। इन अंगों के अपने अलग डीएनए (DNA) सेट हैं, जो उन प्राचीन बैक्टीरिया के अवशेष हैं जो कभी स्वतंत्र रूप से जीवित थे और फिर पहले पौधों की कोशिकाओं के साथ मिल गए थे। जबकि केंद्रक में मौजूद डीएनए पूरे जीव के लिए एक मास्टर ब्लूप्रिंट की तरह कार्य करता है, इन ऊर्जा केंद्रों के भीतर का डीएनए एक विशेष टूलकिट की तरह है, जो ऊर्जा उत्पादन और प्रकाश संश्लेषण पर केंद्रित है। पौधों में, यह माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए विशेष रूप से रहस्यमय है। केंद्रक में पाए जाने वाले व्यवस्थित, रैखिक गुणसूत्रों (क्रोमोसोम) के विपरीत, पौधों के माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम अक्सर अव्यवस्थित होते हैं, जो अपने टुकड़ों को इधर-उधर घुमाते हैं, अपने पड़ोसियों के साथ हिस्सों का आदान-प्रदान करते हैं, और एक प्रजाति से दूसरी प्रजाति में आकार में नाटकीय रूप रूप से बदलते हैं। यह संरचनात्मक अराजकता उन्हें अध्ययन करने में कठिन बनाती है, फिर भी वे इस बारे में महत्वपूर्ण सुराग रखती हैं कि पौधे कैसे विकसित होते हैं, वे अपने वातावरण के अनुकूल कैसे बनते हैं, और विभिन्न प्रजातियां एक-दूसरे से कैसे संबंधित हैं। फसलों को बेहतर बनाने या पौधों के इतिहास को समझने की कोशिश कर रहे वैज्ञानिकों के लिए, इस आनुवंशिक गांठ को सुलझाना आवश्यक है, लेकिन इसके लिए नए दृष्टिकोण और शक्तिशाली नए उपकरणों के साथ डेटा को देखना आवश्यक है।

पेरिला (Perilla), एक सुगंधित पौधा जिसे इसके पाक और औषधीय उपयोगों के लिए पूर्वी एशिया में व्यापक रूप से उगाया जाता है, लंबे समय से शोधकर्ताओं के लिए रुचि का विषय रहा है। जबकि वैज्ञानिकों ने पहले ही इस पौधे के मुख्य परमाणु जीनोम और क्लोरोप्लास्ट डीएनए का मानचित्र तैयार कर लिया है, इसके माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए की कहानी अधूरी रह गई थी। पिछले अध्ययनों ने पेरिला को अलग से देखा था, लेकिन किसी ने भी इसके माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम की इसके निकटतम जीवित रिश्तेदारों के साथ व्यवस्थित रूप से तुलना नहीं की थी। इस कमी ने शोधकर्ताओं को सोचने पर मजबूर कर दिया: क्या पेरिला के माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए की अनूठी संरचना इस पौधे की एक विशिष्ट विशेषता है, या यह इसके परिवार की एक साझा विशेषता है? इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने पौधों के एक समूह की ओर रुख किया जिसमें पेरिला और उसके करीबी रिश्तेदार, जैसे कि 'मोस्ला' (Mosla) वंश और 'कीस्केआ सिनेंसिस' (Keikea sinensis) शामिल हैं। डीएनए के लंबे, निरंतर खंडों को पढ़ने वाली उन्नत अनुक्रमण तकनीक (sequencing technology) का उपयोग करके, वे इन पांच पौधों के पूर्ण माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम को असेंबल करने और उनकी आमने-सामने तुलना करने में सक्षम हुए, जिससे स्थिरता और आश्चर्यजनक संरचनात्मक तरलता का एक परिदृश्य सामने आया।

शोधकर्ताओं ने खेतों से ताजे पौधों के नमूने एकत्र करके और उनका डीएनए निकालकर शुरुआत की। फिर उन्होंने 'पैबैक हाईफाई' (PacBio HiFi) नामक एक उच्च-परिशुद्धता अनुक्रमण विधि का उपयोग किया, जो लंबे, सटीक रीड्स (reads) उत्पन्न करती है जो उन जटिल, दोहराव वाले क्षेत्रों को कवर कर सकते हैं जो अक्सर पुरानी अनुक्रमण तकनीकों को भ्रमित कर देते हैं। इसने उन्हें पेरिला फ्रुटेस्केंस (Perilla frutescens), कीस्केआ सिनिसिस (Keikea sinensis), और मोस्ला की तीन किस्मों के माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए के पूर्ण, अंतराल-मुक्त मानचित्र बनाने की अनुमति दी। एक बार जब इन मानचित्रों को असेंबल कर लिया गया, तो टीम ने बुनियादी निर्माण खंडों की जांच की। उन्होंने पाया कि हालांकि इन माइटोकॉन्ड्रियल जीनोमों का कुल आकार काफी भिन्न था—जो लगभग 300,000 से लेकर लगभग 350,000 आनुवंशिक कोड के अक्षरों तक फैला हुआ था—लेकिन उनमें मौजूद जीनों की वास्तविक संख्या उल्लेखनीय रूप से सुसंगत थी। प्रत्येक पौधे में ऊर्जा बनाने के लिए निर्देशों का वही मूल सेट मौजूद था, जिसमें कोशिका के श्वसन को शक्ति देने वाली मशीनरी के जीन भी शामिल थे। डीएनए का रासायनिक संयोजन, विशेष रूप से इसके निर्माण खंडों का संतुलन, सभी पांच प्रजातियों में लगभग समान रहा। इससे पता चला कि इन पौधों का मौलिक जैविक इंजन बहुत अधिक नहीं बदला है, भले ही आसपास का आनुवंशिक परिदृश्य बदल गया हो।

हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने जीनों से परे उनके बीच के स्थानों को देखा, तो तस्वीर नाटकीय रूप से बदल गई। प्रजातियों के बीच अंतर जीनों में नहीं, बल्कि दोहराव वाले अनुक्रमों (repetitive sequences) और डीएनए की समग्र व्यवस्था में था। टीम ने पाया कि ये जीनोम बिखरे हुए 'रिपीट्स' (repeats) से भरे हुए थे, जो डीएनए के ऐसे खंड हैं जो कई स्थानों पर दिखाई देते हैं, और एक गोंद की तरह कार्य करते हैं जो जीनोम को थामे रख सकते हैं या उसे पुनर्गठित कर सकते हैं। कुछ प्रजातियों में, ये रिपीट्स जीनोम का एक छोटा हिस्सा बनाते थे, जबकि अन्य में, वे एक बड़े हिस्से पर कब्जा किए हुए थे। जब शोधकर्ताओं ने पेरिला और उसके रिश्तेदारों के बीच डीएनए के ब्लॉकों के क्रम की तुलना की, तो उन्होंने पाया कि हालांकि टुकड़े अक्सर समान थे, लेकिन उनकी व्यवस्था अक्सर भिन्न थी। कुछ खंड उल्टे हो गए थे, और अन्य को नई स्थितियों में व्यवस्थित किया गया था। इस संरचनात्मक प्लास्टिसिटी (plasticity) का अर्थ था कि दो पौधों के पास समान उपकरण हो सकते हैं, लेकिन वे उन्हें पूरी तरह से अलग तरीकों से व्यवस्थित कर सकते हैं, जिससे प्रत्येक प्रजाति के लिए एक अद्वितीय आनुवंशिक वास्तुकला बन जाती है।

अध्ययन ने कोशिका के विभिन्न घटकों के बीच आनुवंशिक उधार लेने के प्रमाण भी उजागर किए। पौधे अद्वितीय हैं क्योंकि उनके माइटोकॉन्ड्रिया कभी-कभी अपने क्लोरोप्लास्ट से डीएनए के छोटे टुकड़ों को चुरा लेते हैं, जो प्रकाश संश्लेषण के लिए जिम्मेदार अंग हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि सभी पांच पौधों में ये चोरी किए गए टुकड़े मौजूद थे, जिन्हें 'माइटोकॉन्ड्रियल प्लास्टिड डीएनए सीक्वेंस' कहा जाता है, लेकिन इन टुकड़ों की संख्या और आकार भिन्न था। उदाहरण के लिए, पेरिला में बारह ऐसे टुकड़े थे, जिनका आकार कुछ सौ से लेकर एक हजार से अधिक अक्षरों के कोड तक था। इनमें से कुछ चोरी किए गए टुकड़े मौजूदा जीनों के ठीक ऊपर स्थित थे, जबकि अन्य खाली स्थानों में बैठे थे। यह सुझाव देता है कि डीएनए स्थानांतरण की प्रक्रिया इन पौधों में एक निरंतर, गतिशील घटना है, जो इस समूह में देखी जाने वाली संरचनात्मक विविधता में योगदान देती है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि डीएनए की नकल (copy) करने के बाद उसमें कैसे संपादन (edit) किया जाता है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ विशिष्ट अक्षरों को बदला जाता है ताकि प्रोटीन सही ढंग से कार्य कर सकें। उन्होंने प्रत्येक पौधे में सैकड़ों ऐसे संपादन स्थलों (editing sites) की भविष्यवाणी की, जिसमें सबसे आम परिवर्तन एक अक्षर को दूसरे से बदलना था। जबकि इन स्थलों की कुल संख्या भिन्न थी, लेकिन वे कहाँ स्थित थे इसका पैटर्न काफी हद तक समान था, जो आनुवंशिक कोड की अखंडता बनाए रखने के लिए एक साझा तंत्र की ओर संकेत करता है।

इन आनुवंशिक अंतरों को विकास के व्यापक चित्र में कैसे फिट किया जाए, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने माइटोकॉन्ड्रियल और क्लोरोप्लास्ट डीएनए दोनों के आधार पर पारिवारिक वृक्ष (family trees) बनाए। आश्चर्यजनक रूप से, दो अलग-अलग अंगों से बने वृक्षों ने अपने करीबी रिश्तेदारों के लिए एक ही कहानी सुनाई: पेरिला, कीस्केआ और मोस्ला की प्रजातियों ने एक घनिष्ठ समूह बनाया। इस सहमति ने शोधकर्ताओं को विश्वास दिलाया कि उनके आनुवंशिक मानचित्र सटीक हैं और ये पौधे वास्तव में निकट रूप से संबंधित हैं। हालाँकि, वृक्षों ने यह भी संकेत दिया कि एक व्यापक स्तर पर, इन पौधों का विकासवादी इतिहास अधिक जटिल हो सकता है, जहाँ जीनोम के विभिन्न हिस्से थोड़ी अलग कहानियाँ बताते हैं। यह विसंगति पौधों में सामान्य है और अक्सर संकरण (hybridization) या प्रजातियों के बीच आनुवंशिक सामग्री के आदान-प्रदान जैसी घटनाओं का परिणाम होती है। इस अध्ययन का मुख्य निष्कर्ष यह है कि जबकि इन पौधों के मूल कार्यात्मक जीन समय के साथ स्थिर रहे हैं, उनके आसपास का संरचनात्मक परिदृश्य निरंतर परिवर्तन की स्थिति में रहा है।

इन निष्कर्षों के निहितार्थ केवल जिज्ञासा तक सीमित नहीं हैं। जो ब्रीडर और वैज्ञानिक पेरिला जैसी फसलों को बेहतर बनाने के लिए काम कर रहे हैं, उनके लिए माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए में संरचनात्मक भिन्नता को समझना विभिन्न किस्मों के बीच अंतर करने और जर्मप्लाज्म (germplasm) के इतिहास को ट्रैक करने के लिए नए मार्कर प्रदान करता है। वे क्षेत्र जहाँ डीएनए को पुनर्गठित किया गया है या जहाँ विदेशी डीएनए डाला गया है, भिन्नता का एक समृद्ध स्रोत प्रदान करते हैं जिसे तनाव प्रतिरोध या तेल उत्पादन जैसे महत्वपूर्ण गुणों से जोड़ा जा सकता है। हालाँकि इस अध्ययन ने यह सिद्ध नहीं किया कि ये संरचनात्मक अंतर सीधे विशिष्ट गुणों का कारण बनते हैं, लेकिन इसने उन सटीक स्थानों की पहचान की है जहाँ ऐसे अंतर मौजूद हैं, जो भविष्य के अनुसंधान के लिए मंच तैयार करता है। इन पांच पौधों के पूर्ण माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम का मानचित्र बनाकर, शोधकर्ताओं ने एक विस्तृत संदर्भ प्रदान किया है जो समूह की साझा, संरक्षित विशेषताओं को प्रत्येक प्रजाति की अद्वितीय, परिवर्तनशील विशेषताओं से अलग करता है। यह कार्य पौधों के माइटोकॉन्ड्रियल विकास के बारे में हमारी समझ को बदल देता है, यह दिखाते हुए कि यहाँ तक कि निकट से संबंधित पौधों के समूह में भी, जीनोम एक स्थिर मानचित्र नहीं बल्कि एक गतिशील, बदलता हुआ परिदृश्य है जहाँ टुकड़ों की व्यवस्था स्वयं टुकड़ों जितनी ही महत्वपूर्ण है।