R-Gene and Resistance-Gene-Analog Marker Development for Biotic-Stress Resistance and Tolerance in Grapevine Integrating candidate-gene cloning, sequence polymorphism, and defense-signaling methyltransferases for breeding and germplasm evaluation

अंगूर की बेलें जीवित पहेलियाँ हैं जिन्हें ब्रीडर्स (प्रजनक) सदियों से सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं। कई अन्य फसलों के विपरीत जिन्हें तेजी से विकसित किया जा सकता है, अंगूर की बेलें जटिल, लंबे समय तक जीवित रहने वाले पौधे हैं जो एक ही जीव के भीतर आनुवंशिक विविधता का भारी भार वहन करती हैं। यह अनुमान लगाना कठिन बना देता है कि कौन सी संतान रोग के प्रकोप में जीवित बचेगी। एक विनीयार्ड (अंगूर के बाग) के लिए, पावडरी मिल्ड्यू (powdery mildew) या पियर्स रोग (Pierce's disease) जैसा एक एकल संक्रमण वर्षों की मेहनत को बर्बाद कर सकता है। इन फसलों की रक्षा करने के लिए, वैज्ञानिक जंगली अंगूर की प्रजातियों में छिपे प्राकृतिक बचावों की तलाश करते हैं। ये जंगली बेलें अक्सर विशिष्ट जीन रखती हैं जो प्रतिरक्षा प्रणाली के स्विच की तरह कार्य करते हैं, जो हमलावरों को पहचानते हैं और रक्षा प्रतिक्रिया को सक्रिय करते हैं। चुनौती अंगूर की बेलों के लाखों आनुवंशिक कोड अक्षरों के बीच इन विशिष्ट स्विचों को खोजने में है, और फिर यह समझने में है कि उन्हें उन व्यावसायिक बेलों में कैसे स्थानांतरित किया जाए जिनका लोग वास्तव में सेवन करते हैं।

एक अध्ययन में, जो आधुनिक आनुवंशिक उपकरणों के साथ पिछले प्रयोगों को जोड़ता है, शोधकर्ता डेविस चेंग ने डेटा के एक संग्रह का पुनरावलोकन किया जिसे 2007 और 2009 के बीच एकत्र किया गया था ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह अभी भी इस समस्या को हल करने में मदद कर सकता है। लक्ष्य इन रक्षा जीनों, जिन्हें प्रतिरोध जीन (resistance genes) कहा जाता है, को खोजना और मानचित्रित करना था, और यह देखना था कि क्या जंगली और संवर्धित बेलों के बीच के आनुवंशिक अंतर का उपयोग प्रजनन को तेज करने के लिए किया जा सकता है। टीम ने न केवल मुख्य रक्षा जीनों की खोज की; उन्होंने उन सिग्नलिंग अणुओं की भी जांच की जो पौधे को बताते हैं कि कब लड़ना है। पुराने जेल इमेजेस, क्लोन किए गए डीएनए अनुक्रमों और प्रजनन रिकॉर्डों की पुन: जांच करके, अध्ययन ने पुष्टि की कि ये रक्षा जीन विभिन्न प्रकार की अंगूर की किस्मों के बीच काफी भिन्न होते हैं। हालांकि, इस कार्य ने एक महत्वपूर्ण वास्तविकता की चेतावनी भी दी: एक आनुवंशिक अंतर खोजने का अर्थ स्वतः यह नहीं है कि वह अंतर प्रतिरोध का कारण बनता है।

अनुसंधान की शुरुआत सार्वजनिक डेटाबेस और नए प्रयोगों से संभावित रक्षा जीनों के एक विशाल पुस्तकालय को संकलित करने से हुई। टीम ने सैकड़ों उम्मीदवारों की पहचान की, जिनमें तीन सौ से अधिक जीन शामिल थे जो एक ऐसे परिवार से संबंधित हैं जो रोगजनकों (pathogens) को पहचानने के लिए जाना जाता है, साथ ही पौधे की प्रतिरक्षा सिग्नलिंग में शामिल दर्जनों अन्य जीन भी शामिल थे। उन्होंने जंगली बेलों और ब्रीडिंग लाइनों के एक विशिष्ट सेट पर ध्यान केंद्रित किया, जिसमें अमेरिकी प्रजाति Vitis arizonica भी शामिल है, जो अपनी मजबूती के लिए जानी जाती है। एक पुस्तक में एक विशिष्ट वाक्य पढ़ने की प्रक्रिया के समान, शोधकर्ताओं ने विभिन्न माता-पिता से इन जीनों को कॉपी और अनुक्रमित (sequence) करने के लिए प्राइमर्स डिजाइन किए। इसके बाद उन्होंने डीएनए अनुक्रमों में अंतर की तलाश की, जैसे कि छोटे इंसर्शन (insertions) या डिलीशन (deletions), जो प्रत्येक पौधे के लिए अद्वितीय फिंगरप्रिंट के रूप में कार्य कर सकते थे।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह था कि सबसे उपयोगी आनुवंशिक अंतर अक्सर उन हिस्सों में नहीं थे जो प्रोटीन बनाते हैं, बल्कि उन क्षेत्रों में थे जो यह नियंत्रित करते हैं कि प्रोटीन कब और कितनी मात्रा में बनेगा। शोधकर्ताओं ने पाया कि नॉन-कोडिंग क्षेत्र, जैसे कि प्रमोटर (promoters) जो जीन के पहले स्थित होते हैं, में प्रतिरोधी और संवेदनशील पौधों के बीच स्पष्ट और स्थिर अंतर थे। ये अंतर प्रोटीन-कोडिंग क्षेत्रों में होने वाले परिवर्तनों की तुलना में अधिक आसानी से पहचाने जाने योग्य और विश्वसनीय थे। इस खोज ने एक व्यावहारिक रणनीति को रेखांकित किया: प्रजनन के लिए सर्वोत्तम मार्कर खोजने के लिए, वैज्ञानिकों को केवल इंजन को ही नहीं, बल्कि जीन के नियामक स्विचों (regulatory switches) को देखना चाहिए।

टीम ने मानक रक्षा जीनों से आगे बढ़कर उन एंजाइमों के एक समूह को शामिल करने के लिए अपनी खोज का विस्तार किया जो पौधे के रासायनिक संकेतों का प्रबंधन करते हैं। ये एंजाइम मिथाइलट्रांसफेरेज़ (methyltransferases) को संभालते हैं, जो सैलिसिलिक एसिड (salicylic acid) और जैस्मोनिक एसिड (jasmonic acid) जैसे रक्षा हार्मोन को एक छोटा रासायनिक टैग जोड़ने वाले अणु हैं। ये हार्मोन संदेशवाहक के रूप में कार्य करते हैं, जो पौधे को अपनी रक्षा सक्रिय करने या पड़ोसी पत्तियों को चेतावनी संकेत भेजने के लिए कहते हैं। अध्ययन ने दिखाया कि इन एंजाइमों के लिए जिम्मेदार जीन भी जंगली अंगूर की प्रजातियों में व्यापक रूप से भिन्न होते हैं। इसका अर्थ था कि शोधकर्ताओं ने दूसरे स्तर के मार्कर खोज लिए थे, न केवल उन सेंसरों के लिए जो बीमारी का पता लगाते हैं, बल्कि उस संचार नेटवर्क के लिए भी जो प्रतिक्रिया का समन्वय करता है।

हालांकि, इस अध्ययन ने एक आवश्यक चेतावनी भी दी। शोधकर्ताओं ने अपने नए खोजे गए कई आनुवंशिक मार्करों का वास्तविक रोग प्रतिरोधक क्षमता के विरुद्ध ब्रीडिंग आबादी में परीक्षण किया। जबकि कुछ मार्कर, जैसे कि R9 और R19 लेबल वाले जीनों के लिए, माता-पिता के बीच स्पष्ट अंतर दिखाते थे, वे संतान में प्रतिरोध गुणों से मेल नहीं खाते थे। दूसरे शब्दों में, जिन पौधों में "प्रतिरोधी" मार्कर वाला संस्करण था, वे अनिवार्य रूप से वे नहीं थे जो बीमारी से बच निकले। यह परिणाम कोई विफलता नहीं थी बल्कि एक महत्वपूर्ण वैज्ञानिक साक्ष्य था। इसने सिद्ध किया कि किसी उम्मीदवार जीन में आनुवंशिक भिन्नता होना, एक कार्यशील रक्षा तंत्र होने के समान नहीं है। इसने पुष्टि की कि ब्रीडिंग कार्यक्रमों को केवल इसलिए मार्करों का परीक्षण नहीं करना चाहिए क्योंकि डीएनए अलग दिखता है, बल्कि वास्तविक दुनिया के रोग परिणामों के विरुद्ध उनका कठोरता से परीक्षण करना चाहिए।

विशिष्ट मार्करों के नकारात्मक परिणामों के बावजूद, इस कार्य का समग्र मूल्य उन संसाधनों में निहित है जिन्हें इसने संरक्षित किया है और वह ढांचा प्रदान करता है जो भविष्य के लिए है। अध्ययन ने सफलतापूर्वक क्लोन किए गए जीन अनुक्रमों के एक बड़े संग्रह को संग्रहीत किया और स्थापित किया कि अंगूर की बेलों के जंगली रिश्तेदारों में प्रजनन के लिए आवश्यक आनुवंशिक विविधता मौजूद है। इसने प्रदर्शित किया कि ये रक्षा जीन और उनके सिग्नलिंग साथी भिन्नता के समृद्ध स्रोत हैं जिन्हें ट्रैक किया जा सकता है। लेखक का सुझाव है कि इस पुराने डेटा को अब आधुनिक तकनीक का उपयोग करके अपग्रेड किया जा सकता है। इन ऐतिहासिक अनुक्रमों को अंगूर के जीनोम के नए, उच्च-रिज़ॉल्यूशन मानचित्रों पर मैप करके, वैज्ञानिक इन पुराने मार्करों को सटीक उपकरणों में बदल सकते हैं। इससे ब्रीडर्स को कई प्रतिरोध जीनों को एक साथ जोड़ने (stacking) में मदद मिलेगी, जिससे ऐसी बेलें तैयार होंगी जो पारंपरिक प्रजनन के लंबे इंतजार के बिना, खतरों की एक विस्तृत श्रृंखला के खिलाफ मजबूत होंगी।

यह शोध निष्कर्ष निकालता है कि टिकाऊ अंगूर की बेल प्रतिरोध का मार्ग किसी एक जादुई जीन को खोजने के बारे में नहीं है, बल्कि उस जटिल सेंसर और सिग्नल नेटवर्क को समझने के बारे में है जो पौधे की रक्षा करता है। यह कार्य इस विचार को पुष्ट करता है कि संपूर्ण रक्षा प्रणाली, जिसमें रासायनिक संदेशवाहक भी शामिल हैं, को देखना केवल सेंसरों को देखने की तुलना में प्रजनन के लिए एक बेहतर रोडमैप प्रदान करता है। हालांकि 2000 के दशक में परीक्षण किए गए विशिष्ट मार्कर पूर्ण भविष्यवक्ता के रूप में सफल नहीं रहे, लेकिन उम्मीदवार जीनों का उपयोग करके भिन्नता खोजने की रणनीति सही थी। वास्तविक सफलता इस पुष्टि में है कि ये आनुवंशिक उपकरण, जब आधुनिक जीनोमिक मानचित्रों के साथ संयोजित होते हैं, तो अंततः ब्रीडर्स को अंगूर की बेल की जटिल आनुवंशिकी को समझने में मदद कर सकते हैं ताकि ऐसी फसलें बनाई जा सकें जो उच्च गुणवत्ता वाली और लचीली दोनों हों।