Diagnostic marker development for functional Lr21 and its validation in pyramiding with Pm36 in wheat

गेहूं दुनिया की सबसे महत्वपूर्ण खाद्य फसल है, लेकिन इसे कवक रोगों (फंगल डिजीज) के खिलाफ एक निरंतर, अदृश्य युद्ध का सामना करना पड़ता है। इन दुश्मनों में सबसे विनाशकारी 'लीफ रस्ट' (पत्ती का जंग) है, एक ऐसा रोगजनक जो हवा के माध्यम से आसानी से फैलता है, पौधे से पोषक तत्व चुरा लेता है और स्वस्थ खेतों को भूरे, मुरझाए हुए पैच में बदल देता है। जब यह बीमारी हमला करती है, तो यह फसल को आधा तक कम कर सकती है, जिससे लाखों लोगों की खाद्य सुरक्षा खतरे में पड़ जाती है। दशकों से, किसान और वैज्ञानिक इससे लड़ने के लिए एक सरल रणनीति पर भरोसा करते आए हैं: ऐसी गेहूं की किस्में विकसित करना जिनमें विशिष्ट प्रतिरोध जीन (resistance genes) हों। ये जीन एक आंतरिक अलार्म सिस्टम की तरह कार्य करते हैं, जो आक्रमण करने वाले कवक को पहचानते हैं और एक रक्षा प्रतिक्रिया को सक्रिय करते हैं जो संक्रमण को उसके शुरुआती चरण में ही रोक देती है। हालांकि, प्रकृति निर्मम है। रस्ट फंगस तेजी से विकसित होता है, जो अक्सर पौधे के अलार्म सिस्टम को धोखा देने के लिए बस थोड़ा सा उत्परिवर्तित (mutate) हो जाता है, जिससे एक समय के शक्तिशाली प्रतिरोध जीन बेकार हो जाते हैं। आगे रहने के लिए, ब्रीडर्स को लगातार यह सत्यापित करना पड़ता है कि उनके द्वारा उपयोग किए जा रहे जीन अभी भी काम कर रहे हैं या नहीं, और जहाँ संभव हो, कई अलग-अलग प्रतिरोध जीनों को एक साथ जोड़ना (stack) चाहिए ताकि एक ऐसा किला बनाया जा सके जिसे भेदना बहुत कठिन हो।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, हेबेई एग्रीकल्चरल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक ऐसे ही जीन की ओर ध्यान दिया, जिसे Lr21 के रूप में जाना जाता है, जिसे मूल रूप से एक जंगली घास के रिश्तेदार से लिया गया था और सामान्य गेहूं में पेश किया गया था। वर्षों से, इस जीन को चीनी गेहूं प्रजनन कार्यक्रमों में एक मूल्यवान संपत्ति माना जाता रहा है। वैज्ञानिकों ने एक मौलिक प्रश्न का परीक्षण करने का निर्णय लिया: क्या Lr21 जीन वास्तव में चीन के गेहूं के खेतों में काम कर रहा है, या यह शुरू से ही चुपचाप विफल होता आ रहा है? इसका उत्तर खोजने के लिए, उन्होंने पुराने रिकॉर्ड या धारणाओं पर भरोसा नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक सीधा जैविक परीक्षण किया। उन्होंने रस्ट फंगस से एक विशिष्ट प्रोटीन, जिसे कार्यात्मक Lr2लय Lr21 जीन को पहचानना चाहिए, उसे बीस-पांच अलग-अलग गेहूं की किस्मों की पत्तियों में डाला, जिनके बारे में माना जाता था कि उनमें यह जीन मौजूद है। एक स्वस्थ, कार्यात्मक प्रणाली में, इस मुठभेड़ के कारण पौधे की कोशिकाएं एक छोटे से धब्बे में तेजी से मर जाएंगी, जो रक्षा का एक दृश्य संकेत है जिसे 'हाइपरसेंसिटिव रिस्पॉन्स' कहा जाता है। यह कुछ ऐसा है जैसे सुरक्षा प्रणाली किसी चोर को घर में प्रवेश करने से रोकने के लिए एक स्थानीय अलार्म बजाती है।

इस प्रयोग के परिणाम आश्चर्यजनक और निर्णायक थे। पच्चीस की पच्चीस गेहूं की किस्मों में इस रक्षात्मक प्रतिक्रिया का कोई संकेत नहीं मिला। पत्तियां हरी और स्वस्थ रहीं, जो यह दर्शाती हैं कि इन पौधों में Lr21 जीन रस्ट प्रोटीन को पहचान ही नहीं पा रहा था। शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए कि अलार्म सिस्टम शांत क्यों था, इन पौधों के जेनेटिक कोड की गहराई से जांच की। उन्होंने पाया कि हालांकि पौधों के पास Lr-21 जीन का एक संस्करण मौजूद था, लेकिन वह एक टूटा हुआ (broken) प्रतिरूप था। सावधानीपूर्वक अनुक्रमण (sequencing) के माध्यम से, उन्होंने इन टूटे हुए प्रतियों को दो अलग-अलग समूहों, या हैप्लोटाइप्स (haplotypes) में वर्गीकृत किया, जिन्हें उन्होंने H1 और H2 नाम दिया। प्रत्येक पच्चीस किस्मों में से प्रत्येक में इन दो गैर-कार्यात्मक संस्करणों में से एक मौजूद था। इस खोज ने चीनी गेहूं के प्रजनन इतिहास में एक महत्वपूर्ण अंतर को उजागर किया: वर्षों के चयन के बावजूद, चीन की अग्रणी किस्मों में कभी भी Lr21 जीन का कार्यात्मक संस्करण सफलतापूर्वक तैनात नहीं किया गया था। जीन नाम में तो मौजूद था, लेकिन कार्य में अनुपस्थित था।

यह पुष्टि करने के बाद कि मौजूदा गेहूं में केवल टूटे हुए संस्करण ही मौजूद थे, टीम ने समस्या को ठीक करने के लिए नए उपकरणों का निर्माण शुरू किया। उन्हें एक ऐसे तरीके की आवश्यकता थी जिससे वे एक काम करने वाले जीन और टूटे हुए जीनों के बीच अंतर कर सकें, और टूटी हुई प्रतियों के बीच भी अंतर कर सकें। कार्यात्मक जीन और दो टूटे हुए संस्करणों के डीएनए अनुक्रमों की तुलना करके, उन्होंने पाया कि जेनेटिक कोड के अक्षरों में विशिष्ट स्थानों पर अंतर है। इन अंतरों का उपयोग करते हुए, उन्होंने आणविक मार्कर (molecular markers) का एक सेट विकसित किया। एक मार्कर एक स्विच की तरह कार्य करता है जो ब्रीडर को तुरंत बता सकता है कि किसी पौधे में काम करने वाला जीन है या टूटा हुआ। चार अतिरिक्त मार्कर उन्हें टूटी हुई प्रतियों को उनके विशिष्ट समूहों में वर्गीकृत करने की अनुमति देते हैं। ये उपकरण सटीक और कुशल हैं, जिससे वैज्ञानिक बिना खेत में उगाए या बीमारी के प्रकोप की प्रतीक्षा किए, गेहूं के बीजों की तेजी से स्क्रीनिंग कर सकते हैं।

इन नए उपकरणों का वास्तविक परीक्षण तब हुआ जब शोधकर्ताओं ने शून्य से एक बेहतर गेहूं की किस्म बनाने का प्रयास किया। उन्होंने गेहूं की एक ऐसी लाइन ली जिसमें दुर्लभ, पूरी तरह से कार्यात्मक Lr21 जीन था और उसे दूसरी लाइन के साथ क्रॉस कराया जिसमें पाउडरी मिल्ड्यू (powdery mildew) के खिलाफ एक शक्तिशाली प्रतिरोध जीन था, जो एक अलग प्रकार का कवक रोग है। लक्ष्य दोनों रक्षा प्रणालियों को एक ही पौधे में संयोजित करना था, जिसे 'जीन पिरामिडिंग' (gene pyramiding) की रणनीति कहा जाता है। उन्होंने इस क्रॉस के वंशजों को उगाया और अपने नए मार्करों का उपयोग करके उन पौधों की पहचान की जिन्होंने दोनों जीन विरासत में प्राप्त किए थे। परिणाम बिल्कुल वैसे ही थे जैसा कि आनुवंशिकता के नियमों द्वारा अनुमान लगाया गया था, जिसमें जीन अपेक्षित पैटर्न में अलग और पुनर्संयोजित (recombine) हुए। जब उन्होंने इन नए, दोहरे-प्रतिरोधी पौधों को बीमारी के संपर्क में लाया, तो परिणाम प्रभावशाली थे। पौधों ने पाउडरी मिल्ड्यू के प्रति मजबूत प्रतिरोध और लीफ रस्ट के प्रति मध्यम प्रतिरोध दिखाया, जो एक ऐसा संयोजन था जो उनके किसी भी जनक (parent) के पास अकेले मौजूद नहीं था। वे रूट रॉट (जड़ सड़न) के खिलाफ भी काफी हद तक टिके रहे, हालांकि वे क्राउन रॉट के प्रति संवेदनशील बने रहे।

यह अध्ययन केवल गेहूं के प्रतिरोध की पहेली के एक लापता हिस्से की पहचान ही नहीं करता है; बल्कि यह उसे फिर से खोजने का मानचित्र और उपकरण भी प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया है कि Lr21 जीन खोया नहीं है, बल्कि इसका कार्यात्मक संस्करण बस चीनी प्रजनन कार्यक्रमों में उपयोग नहीं किया गया है। मार्करों को विकसित करके जो काम करने वाले जीन को उसके टूटे हुए समकक्षों से अलग कर सकते हैं, उन्होंने ब्रीडर्स को वास्तविक प्रतिरोध के लिए चयन करने का एक विश्वसनीय तरीका दे दिया है। लीफ रस्ट और पाउडरी मिल्ड्यू दोनों के प्रतिरोध को संयोजित करने वाली एक गेहूं की लाइन का सफल निर्माण यह दर्शाता है कि इन रक्षा प्रणालियों को एक साथ जोड़ना (stacking) एक व्यवहार्य मार्ग है। जैसे-जैसे जलवायु बदल रही है और कवक रोग विकसित हो रहे हैं, इन जेनेटिक ढालों को सटीक रूप से पहचानने और संयोजित करने की क्षमता गेहूं की फसल के भविष्य को सुरक्षित करने के लिए आवश्यक होगी। यह कार्य एक खोई हुई रक्षा को बहाल करने और कल के खेतों के लिए अधिक लचीली फसल बनाने का एक स्पष्ट, व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।