Integrating genome-wide association study and RNA-seq to identify rhizobium inoculation- responsive genes in mung bean (Vigna radiata)
218 विविध मूँग किस्मों के जीनोम-वाइड एसोसिएशन अध्ययन और आरएनए-सीक्वेन्सिंग (RNA-seq) विश्लेषण को एकीकृत करके, यह अध्ययन राइजोबियल प्रतिक्रियाशीलता में पर्याप्त फेनोटाइपिक भिन्नता की पहचान करता है और 24 संभावित जीनों तथा संबद्ध एसएनपी (SNP) लोकी को प्राथमिकता देता है जो बेहतर सहजीवी प्रदर्शन और सिंथेटिक नाइट्रोजन उर्वरकों पर निर्भरता कम करने वाली किस्मों के प्रजनन को सुगम बना सकते हैं।
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नाइट्रोजन वह ईंधन है जिसकी पौधों को बढ़ने के लिए आवश्यकता होती है, फिर भी हमारे चारों ओर की हवा मुख्य रूप से इसी से बनी है, जो एक ऐसे रूप में बंद है जिसे जड़ें उपयोग नहीं कर सकतीं। इस महत्वपूर्ण पोषक तत्व को प्राप्त करने के लिए, अधिकांश फसलें किसानों द्वारा सिंथेटिक उर्वरकों के प्रयोग पर निर्भर करती हैं, जो एक ऐसी प्रथा है जो महंगी और पर्यावरण के लिए हानिकारक है। हालाँकि, प्रकृति ने फलीदार पौधों (लेग्यूम्स) के एक विशिष्ट समूह के लिए इस समस्या को पहले ही हल कर लिया है। ये पौधे, जिनमें बीन्स, मटर और क्लोवर शामिल हैं, मिट्टी में रहने वाले सूक्ष्म बैक्टीरिया के साथ एक साझेदारी बना चुके हैं। राइजोबिया (rhizobia) नामक ये बैक्टीरिया पौधे की जड़ों में प्रवेश करते हैं और नन्हें कारखानों का निर्माण करते हैं जिन्हें 'नोड्यूल्स' (गांठें) कहा जाता है। इन नोड्यूल्स के भीतर, बैक्टीरिया हवा से निष्क्रिय नाइट्रोजन को अमोनिया में बदल देते हैं, जो कि एक ऐसा रूप है जिसे पौधा खा सकता है। बदले में, पौधा बैक्टीरिया को चीनी प्रदान करता है। यह प्राकृतिक विनिमय लेग्यूम्स को भारी उर्वरक उपयोग के बिना फलने-फूलने की अनुमति देता है, जिससे वे टिकाऊ खेती का एक आधार स्तंभ बन जाते हैं।
इस साझेदारी की भव्यता के बावजूद, यह हर पौधे के लिए पूरी तरह से काम नहीं करती है। जब किसान एक ही फसल की विभिन्न किस्मों को इन सहायक बैक्टीरिया के साथ इनोक्युलेट (संक्रमित) करते हैं, तो परिणाम बेहद असंगत हो सकते हैं। कुछ पौधे जोरदार विकास और प्रचुर मात्रा में नोड्यूल्स के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जबकि अन्य में बहुत कम बदलाव दिखता है या वे विकास में अवरुद्ध भी हो सकते हैं। यह अनिश्चितता उन ब्रीडर्स (प्रजनक) के लिए एक बाधा रही है जो ऐसी फसलें विकसित करने की कोशिश कर रहे हैं जो रासायनिक इनपुट पर कम निर्भर हों। चीन के शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए प्रयास किया कि मूंग की दाल (मंग बीन) में ऐसा क्यों होता है, जो एक पौष्टिक और तेजी से बढ़ने वाला लेग्यूम है। उन्नत जेनेटिक मैपिंग और जीन अनुक्रमण (जीन सीक्वेंसिंग) के साथ बड़े पैमाने पर फील्ड टेस्टिंग को जोड़कर, उन्होंने उन विशिष्ट आनुवंशिक निर्देशों का पता लगाया जो यह निर्धारित करते हैं कि मूंग का पौधा बैक्टीरिया का स्वागत करेगा या उन्हें अस्वीकार कर देगा।
टीम ने 2-18 अलग-अलग किस्मों को इकट्ठा करके शुरुआत की, जो मूंग की दाल की व्यापक आनुवंशिक विविधता का प्रतिनिधित्व करती हैं। उन्होंने दो बढ़ते मौसमों में इन बीजों को खेतों में लगाया, प्रत्येक किस्म के आधे हिस्से को दो विशिष्ट स्ट्रेन के राइजोबिया मिश्रण के साथ उपचारित किया और बाकी आधे को बिना उपचार के छोड़ दिया। जैसे ही पौधे परिपक्व हुए, शोधकर्ताओं ने बीस अलग-अलग लक्षणों को मापा, जिसमें जड़ों की गांठों की संख्या और जड़ों के वजन से लेकर बीजों की कुल संख्या और अंतिम फसल की उपज तक शामिल थे। परिणामों ने अत्यधिक भिन्नता का परिदृश्य प्रकट किया। जबकि कुछ किस्में बैक्टीरिया के प्रति प्रतिक्रिया के रूप में विकास में उछाल दिखाती थीं, अन्य ने नकारात्मक प्रतिक्रिया दी। उदाहरण के लिए, कुछ पौधों में, इनोक्यूलेशन से उत्पादित बीजों की संख्या में कमी आई, जबकि अन्य में इसने पैदावार को काफी बढ़ा दिया। इसने पुष्टि की कि इस साझेदारी की सफलता काफी हद तक पौधे की विशिष्ट आनुवंशिक संरचना पर निर्भर करती है।
इन अंतरों के पीछे के आनुवंशिक कारणों को खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'जीनोम-वाइड एसोसिएशन स्टडी' नामक तकनीक का उपयोग किया। यह विधि पौधों के पूरे जेनेटिक कोड को स्कैन करती है ताकि उन विशिष्ट मार्कर्स को खोजा जा सके जो कुछ खास लक्षणों वाली किस्मों में अधिक बार दिखाई देते हैं। 218 किस्मों के डीएनए की उनकी फील्ड प्रदर्शन के साथ तुलना करके, टीम ने जीनोम में 357 विशिष्ट स्थानों की पहचान की जो बैक्टीरिया के प्रति उनकी प्रतिक्रिया से मजबूती से जुड़े थे। ये स्थान मूंग के सभी ग्यारह क्रोमोसोम (गुणसूत्रों) में बिखरे हुए थे, लेकिन कुछ क्षेत्र, विशेष रूप से क्रोमोसोम छह और सात पर, इन लक्षणों के हॉटस्पॉट प्रतीत हुए। शोधकर्ताओं ने फिर उन जीन्स को देखा जो इन मार्कर्स के पास स्थित थे, जिससे उनका ध्यान 901 संभावित उम्मीदवारों तक सीमित हो गया जो नोड्यूलेशन प्रक्रिया को नियंत्रित कर सकते हैं।
ये जीन वास्तव में क्या कर रहे थे, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों ने जड़ों के भीतर आणविक गतिविधि का बारीकी से अध्ययन किया। उन्होंने दो ऐसी किस्मों को चुना जिन्होंने विपरीत प्रतिक्रिया दिखाई: एक जिसने इनोक्यूलेशन के बाद कई नोड्यूल्स बनाए और दूसरी जिसने बहुत कम बनाए। उन्होंने इन पौधों को नियंत्रित गमलों में उगाया, उन्हें बैक्टीरिया के साथ इनोक्युलेट किया, और जैसे ही नोड्यूल्स बनने लगे, जड़ों की कटाई की। कोशिका के भीतर हर जीन की गतिविधि को पढ़ने वाली तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने दोनों किस्मों की तुलना की। उन्होंने पाया कि उच्च प्रदर्शन करने वाले और कम प्रदर्शन करने वाले पौधों के बीच 561 जीन अलग-अलग तरीके से सक्रिय या निष्क्रिय थे। फील्ड जेनेटिक स्कैन के परिणामों को इस जीन गतिविधि डेटा के साथ जोड़कर, उन्होंने 24 जीन्स की एक संक्षिप्त सूची तैयार की जो आनुवंशिक रूप से उस लक्षण से जुड़े थे और बैक्टीरिया की उपस्थिति में सक्रिय रूप से बदल रहे थे।
इन 24 प्रमुख जीन्स में से, शोधकर्ताओं ने कई ऐसे पाए जो बैक्टीरिया के साथ पौधे की अंतःक्रिया में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। कुछ जीन उन प्रोटीनों के लिए कोड करते हैं जो बैक्टीरिया को पौधे की कोशिका भित्तियों (सेल वॉल्स) में प्रवेश करने में मदद करते हैं, जो संक्रमण के लिए एक आवश्यक पहला कदम है। अन्य पौधे की प्रतिरक्षा प्रणाली (इम्यून सिस्टम) को प्रबंधित करने में शामिल हैं, जिसे सावधानीपूर्वक संतुलित किया जाना चाहिए ताकि बैक्टीरिया को अंदर आने दिया जा सके बिना एक पूर्ण-स्तरीय रक्षा प्रतिक्रिया को सक्रिय किए जो इस साझेदारी को समाप्त कर दे। अध्ययन ने पोषक तत्वों और सिग्नलिंग अणुओं को ले जाने वाले जीन्स पर भी प्रकाश डाला, जैसे कि वे जो पौधे को बैक्टीरिया को पहचानने और नोड्यूल बनाना शुरू करने में मदद करते हैं। शोधकर्ताओं ने इन छह जीन्स की गतिविधि को सीधे मापकर अपने निष्कर्षों को सत्यापित किया, जिससे पुष्टि हुई कि उनका व्यवहार बड़े आनुवंशिक अध्ययन में देखे गए पैटर्न से मेल खाता है।
निष्कर्ष बताते हैं कि मूंग की दाल की क्षमता कि वह राइजोबिया से लाभ उठा सके, यह कोई एक अकेला स्विच नहीं बल्कि आनुवंशिक नियंत्रणों का एक जटिल नेटवर्क है। अध्ययन ने विशिष्ट आनुवंशिक विविधताओं की पहचान की है जिनका उपयोग अब ब्रीडर्स द्वारा ऐसी किस्में चुनने के लिए किया जा सकता है जो नाइट्रोजन-फिक्सिंग बैक्टीरिया के साथ मजबूत और उत्पादक साझेदारी बनाने की अधिक संभावना रखती हैं। हालांकि यह शोध अभी तक यह साबित नहीं करता है कि प्रत्येक 24 जीन्स वास्तव में कैसे कार्य करते हैं, लेकिन यह यह देखने के लिए एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है कि कहाँ देखना है। इस प्रतिक्रिया के आनुवंशिक आधार को समझकर, वैज्ञानिक मूंग की ऐसी किस्में विकसित करने की दिशा में बढ़ सकते हैं जो प्राकृतिक नाइट्रोजन आपूर्ति को अधिकतम करती हैं, जिससे सिंथेटिक उर्वरकों की आवश्यकता कम होती है और अधिक टिकाऊ कृषि प्रणालियों को समर्थन मिलता है।
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