A T2T genome assembly of subtropic maize inbred line CML312 with Nanopore simplex reads

मक्का, मक्के का वह परिचित डंठल जो अरबों लोगों का पेट भरता है, अपने सुनहरे दानों के सुझाव से कहीं अधिक जटिल एक आनुवंशिक दुनिया को छिपाए हुए है। हालांकि खेत में यह पौधा एक समान दिखता है, लेकिन इसका डीएनए एक किस्म से दूसरी किस्म में बहुत भिन्न होता है, जो निर्देशों की एक विशाल लाइब्रेरी लेकर चलता है जो सूखे के प्रतिरोध से लेकर दानों के रंग तक सब कुछ निर्धारित करते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इस आनुवंशिक परिदृश्य को समझने के लिए कुछ मानक संदर्भ मानचित्रों पर निर्भर रहे हैं, लेकिन ये मानचित्र मक्के की विविधता के एक संकीर्ण हिस्से से बनाए गए थे, जो उष्णकटिबंधीय और उपोष्णकटिबंधीय किस्मों में पाई जाने वाली समृद्ध आनुवंशिक संपदा को छोड़ देते हैं। ये जंगली, ऊष्मा-सहिष्णु किस्में बदलते जलवायु में जीवित रहने के लिए फसलें उगाने की कुंजी रखती हैं, फिर भी उनके जीनोम को पढ़ना हठी रूप से कठिन बना हुआ है। चुनौती मक्के के जीनोम के विशाल आकार और दोहराव वाले स्वभाव में निहित है, जहाँ डीएनए के लंबे हिस्से खुद को इतनी बार दोहराते हैं कि पारंपरिक अनुक्रमण उपकरण (sequencing tools) खो जाते हैं, जैसे कि एक ऐसी पहेली को जोड़ने की कोशिश करना जहाँ लाखों टुकड़े बिल्कुल एक जैसे दिखते हों।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब CML312 का पूर्ण आनुवंशिक ब्लूप्रिंट सफलतापूर्वक मैप कर लिया है, जो कि एक महत्वपूर्ण उष्णकटिबंधीय मक्का रेखा है जिसका उपयोग दुनिया भर के प्रजनकों द्वारा किया जाता है। एक नए, अधिक सटीक 'लॉन्ग-रीड सीक्वेंसिंग' तकनीक के संस्करण का उपयोग करके, उन्होंने पौधे के डीएनए का एक लगभग पूर्ण, छोर-से-छोर तक का मानचित्र तैयार किया, जिसके लिए पहले आवश्यक महंगे और अत्यधिक जटिल सेटअप की आवश्यकता नहीं थी। यह नया मानचित्र प्रकट करता है कि CML312 का जीनोम दोहराव वाले डीएनए के विशाल ब्लॉकों से भरा हुआ है, जिन्हें 'नॉब्स' (knobs) कहा जाता है, जो मानक समशीतोष्ण किस्मों में पाए जाने वाले नॉब्स की तुलना में आकार और संरचना में काफी भिन्न हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन घने, दोहराव वाले ब्लॉकों के भीतर फंसे जीन काफी हद तक शांत (silenced) रहते हैं, जबकि पौधे के सफेद दाने एक विशिष्ट आनुवंशिक रेसिपी का परिणाम हैं: रंग को तोड़ने वाले एक जीन की प्रतियों की संख्या में भारी विस्तार, और पीले रंग को बनाने वाले जीन को दबाने वाले संरचनात्मक परिवर्तनों का संयोजन। यह कार्य एक उच्च-गुणवत्ता वाला, सुलभ संदर्भ प्रदान करता है जो वैज्ञानिकों को अंततः उष्णकटिबंधीय मक्का के अद्वितीय आनुवंशिक अनुकूलन का पता लगाने की अनुमति देता है, जिससे भविष्य के लिए लचीली फसलें विकसित करने का एक स्पष्ट मार्ग मिलता है।

इस नए मानचित्र तक की यात्रा एक सरल लक्ष्य के साथ शुरू हुई: CML312 का संपूर्ण जीनोम देखना जिसमें वे अंतराल और त्रुटियां न हों जिन्होंने पिछले प्रयासों को बाधित किया था। मक्का का डीएनए अनुक्रमित करना विशेष रूप से कठिन है क्योंकि यह लंबे, दोहराव वाले अनुक्रमों से भरा होता है जो मानक पढ़ने वाली मशीनों को भ्रमित कर देते हैं। अतीत में, एक पूर्ण मानचित्र बनाने के लिए कई महंगी तकनीकों के डेटा को संयोजित करने और भारी मात्रा में कच्चा डेटा उत्पन्न करने की आवश्यकता होती थी। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एक एकल, आधुनिक अनुक्रमण दृष्टिकोण यह काम कर सकता है। उन्होंने CML312 पौधे की जड़ों और पत्तियों से डीएनए निकाला और इसे तीन मानक अनुक्रमण मशीनों के माध्यम से चलाया। ये मशीनें डीएनए के लंबे धागों को पढ़ती हैं, जिससे शोधकर्ता उन दोहराव वाले क्षेत्रों के पार देख पाते हैं जो आमतौर पर असेंबली त्रुटियों का कारण बनते हैं। इन लंबे 'रीड्स' को एक साथ जोड़कर और परिणाम को उच्च-परिशुद्धता वाले छोटे 'रीड्स' के साथ परिष्कृत करके, उन्होंने डीएनए की एक निरंतर श्रृंखला बनाई जो पौधे के दस क्रोमोसोमों की पूरी लंबाई तक फैली हुई है।

परिणामस्वरूप प्राप्त मानचित्र उल्लेखनीय रूप से पूर्ण है। यह 2.312 बिलियन बेस पेयर्स (आनुवंशिक कोड के व्यक्तिगत अक्षर) को कवर करता है, और इसमें सिरे से सिरे तक प्रत्येक क्रोमोसोम शामिल है। वास्तव में, दस में से सात क्रोमोसोम बिना किसी अंतराल के असेंबल किए गए थे, जो निरंतरता का एक ऐसा स्तर है जो मक्के के लिए बनाए गए सर्वश्रेष्ठ मानचित्रों की बराबरी करता है। शोधकर्ताओं ने पौधे की अपनी आनुवंशिक सामग्री के विरुद्ध जांच करके अपने कार्य की सटीकता की पुष्टि की, जिससे पता चला कि मानचित्र 99.99 प्रतिशत से अधिक सही है। उन्होंने पौधे के राइबोसोमल डीएनए के स्थानों की भी पहचान की, जो प्रोटीन बनाने वाली मशीनरी है, और पाया कि CML312 में अन्य अच्छी तरह से अध्ययन की गई मक्का किस्मों की तुलना में इन प्रतियों की संख्या अधिक है। यह उच्च-गुणवत्ता वाला संयोजन एक ठोस आधार के रूप में कार्य करता है, जो यह सिद्ध करता है कि जटिल पौधों के जीनोम को विशेष, अत्यंत-दीर्घ डीएनए तैयारियों के बजाय मानक, लागत प्रभावी तरीकों का उपयोग करके पुनर्गठित किया जा सकता है।

मानचित्र हाथ में आने के बाद, टीम ने अपना ध्यान स्वयं जीनों की ओर केंद्रित किया। उन्होंने कंप्यूटर भविष्यवाणियों को पौधे के अपने आरएनए (RNA) के प्रत्यक्ष साक्ष्य के साथ जोड़ा, जो डीएनए से कोशिका के प्रोटीन बनाने वाले कारखानों तक निर्देश ले जाने वाला अणु है। इस दृष्टिकोण ने उन्हें 44,758 प्रोटीन-कोडिंग जीन की पहचान करने और यह देखने की अनुमति दी कि वे वास्तव में कैसे संरचित हैं, जिसमें उनकी गतिविधि को नियंत्रित करने वाले गैर-कोडिंग क्षेत्र भी शामिल हैं। विश्लेषण से पता चला कि जीनोम दोहराव वाले तत्वों के प्रभुत्व में है, जो कुल डीएनए का लगभग 86 प्रतिशत हिस्सा बनाते हैं। इनमें से, हेटेरोक्रोमैटिन के बड़े ब्लॉक, जिन्हें 'नॉब्स' कहा जाता है, प्रमुखता से उभरे। ये नॉब्स डीएनए के घने, कसकर पैक किए गए क्षेत्र हैं जो मक्के की विभिन्न किस्मों के बीच बहुत भिन्न होते हैं। CML312 में, ये नॉब्स विशाल हैं, जिनमें से कुछ दस मिलियन बेस पेयर्स तक फैले हुए हैं।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इन नॉब्स का उनके भीतर मौजूद जीनों पर गहरा प्रभाव पड़ता है। इन घने, दोहराव वाले ब्लॉकों के भीतर स्थित जीन काफी हद तक निष्क्रिय होते हैं, जो जीनोम के अन्य हिस्सों के जीनों की तुलना में बहुत कम अभिव्यक्ति (expression) दिखाते हैं। यह सुझाव देता है कि नॉब की भौतिक संरचना एक साइलेंसर के रूप में कार्य करती है, जो इसके भीतर के आनुवंशिक निर्देशों को पढ़े जाने से रोकती है। इसके अलावा, अध्ययन में पाया गया कि इन नॉब्स का आकार और संरचना CML312 और अन्य मक्का लाइनों के बीच काफी भिन्न होती है, जो यह संकेत देती है कि ये बड़े पैमाने के संरचनात्मक अंतर आनुवंशिक विविधता का एक प्रमुख स्रोत हैं। यह भिन्नता केवल यादृच्छिक शोर नहीं है; यह इस बात का मौलिक अंतर है कि जीनोम कैसे व्यवस्थित है, जो यह प्रभावित कर सकता है कि पौधा अपने पर्यावरण के अनुकूल कैसे होता है।

अध्ययन के सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह बताता है कि CML312 अधिकांश व्यावसायिक मक्के में देखे जाने वाले पीले दानों के बजाय सफेद दाने क्यों पैदा करता है। मक्के के दानों का रंग पीले रंग बनाने वाले जीनों और उसे तोड़ने वाले जीनों के बीच के संतुलन से निर्धारित होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि CML312 में 'Ccd1' नामक एक जीन की बारह प्रतियां हैं, जो कैरोटीनॉयड पिगमेंट को तोड़ता है। इसके विपरीत, मानक पीले मक्का किस्मों में आमतौर पर केवल एक प्रति होती है। यह विशाल दोहराव का अर्थ है कि CML312 पीले रंग को नष्ट करने वाले एंजाइम की प्रचुर मात्रा में उत्पादन करता है। इसके अतिरिक्त, शोधकर्ताओं ने Y1 जीन के प्रमोटर क्षेत्र में संरचनात्मक परिवर्तनों की पहचान की, जो पीले रंग के पिगमेंट को बनाने के लिए जिम्मेदार है। इन परिवर्तनों में, जिसमें जीन की शुरुआत के पास एक बड़ा विलोपन (deletion) और एक सम्मिलन (insertion) शामिल है, Y1 प्रोटीन की मात्रा को काफी कम कर दिया गया है। रंग-विनाशकारी एंजाइम की अधिकता और रंग-निर्माण करने वाले एंजाइम की कमी का संयोजन सफेद दाने के फेनोटाइप का परिणाम है।

अध्ययन ने CML312 और अन्य मक्का लाइनों के बीच संरचनात्मक अंतरों का भी खुलासा किया, विशेष रूप से इन बड़े दोहराव वाले ब्लॉकों की व्यवस्था में। CML312 के मानचित्र की तुलना Mo17 लाइन के संदर्भ मानचित्र से करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि कई सबसे बड़े अंतर ठीक वहीं स्थित थे जहाँ विशाल नॉब्स पाए जाते हैं। कुछ मामलों में, जीनोम के पूरे खंड उलट दिए गए या पुनर्गठित किए गए, जो पुराने, खंडित मानचित्रों के साथ पता लगाना असंभव होता। ये बड़े पैमाने के परिवर्तन बताते हैं कि जीनोम का संगठन पहले की तुलना में कहीं अधिक तरल है, जहाँ डीएनए के पूरे ब्लॉक अलग-अलग किस्मों के बीच चलते या आकार बदलते हैं। यह संरचनात्मक विविधता संभवतः इस बात में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है कि मक्का विभिन्न जलवायु और तनावों के अनुकूल कैसे होता है।

एक उष्णकटिबंधीय मक्का रेखा का पूर्ण और सटीक मानचित्र प्रदान करके, यह शोध फसल सुधार के एक नए युग का द्वार खोलता है। प्रजनक अब उन विशिष्ट आनुवंशिक वेरिएंट्स की तलाश कर सकते हैं जो उष्णकटिबंधीय जर्मप्लाज्म में गर्मी, सूखे या बीमारी के प्रति प्रतिरोध प्रदान करते हैं, और यह समझ सकते हैं कि ये लक्षण वास्तव में कैसे कोडित हैं। ऐसी जटिल जीनोम को मानक, किफायती तकनीक का उपयोग करके असेंबल करने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब कई और पौधों की किस्मों के लिए उच्च-गुणवत्ता वाले मानचित्र तैयार कर सकते हैं, जिससे उपयोगी जीनों की खोज में तेजी आएगी। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि दुनिया की सबसे महत्वपूर्ण खाद्य फसलों के आनुवंशिक रहस्य तेजी से सुलभ हो रहे हैं, जो बदलते जलवायु की चुनौतियों का सामना करने के लिए लचीली किस्में विकसित करने की आशा प्रदान करते हैं।