Integrating IRRI standardized phenotyping and genome-wide association analysis to decipher salinity tolerance and yield responses in rice

नमक दुनिया के खेतों में एक खामोश चोर है। यह मिट्टी में रिस जाता है, पौधों की जड़ों से पानी चुरा लेता है और उनकी कोशिकाओं के भीतर की सूक्ष्म रसायनिकी को विषाक्त कर देता है। चावल के लिए, जो मानव आबादी के लगभग आधे हिस्से का पेट भरता है, यह खतरा विशेष रूप से गंभीर है। हालांकि चावल आर्द्रभूमि (wetlands) में जीवित रह सकता है, लेकिन जब वह जो पानी पीता है वह बहुत नमकीन होता है, तो उसे संघर्ष करना पड़ता है। नुकसान केवल मुरझाई हुई पत्तियों का मामला नहीं है; नमक का तनाव तब सबसे अधिक प्रहार करता है जब पौधा प्रजनन करने की कोशिश कर रहा होता है, जिससे अक्सर अनाज की पैदावार आधी रह जाती है। जैसे-जैसे जलवायु परिवर्तन और सिंचाई पद्धतियां अधिक भूमि को लवणता (salinity) की ओर धकेल रही हैं, इन कठोर परिस्थितियों में पनपने वाली चावल की किस्मों को खोजना वैश्विक खाद्य सुरक्षा के लिए समय के विरुद्ध एक दौड़ बन गया है।

वैज्ञानिक लंबे समय से चावल के पौधों को नमक सहने की उनकी क्षमता के आधार पर वर्गीकृत करने के लिए एक दृश्य स्कोरिंग प्रणाली (visual scoring system) पर भरोसा करते आए हैं। इंटरनेशनल राइस रिसर्च इंस्टीट्यूट द्वारा विकसित यह विधि शोधकर्ताओं से एक पौधे को देखने और उसे एक से नौ तक का स्कोर देने के लिए कहती है। एक स्कोर का अर्थ है कि पौधा स्वस्थ और हरा-भरा दिखता है, जबकि नौ का अर्थ है कि वह मर चुका है या मर रहा है। यह हजारों पौधों की जांच करने का एक त्वरित तरीका है, लेकिन यह समझ में एक कमी छोड़ देता है। एक विजुअल स्कोर आपको बताता है कि एक पौधा कैसा दिखता है, लेकिन यह नहीं बताता कि वह रूप अंतिम फसल में कैसे परिवर्तित होता है, न ही यह उन विशिष्ट आनुवंशिक निर्देशों को प्रकट करता है जो कुछ पौधों को जीवित रहने और दूसरों के नष्ट होने में सक्षम बनाते हैं।

इस अंतर को पाटने के लिए, चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पारंपरिक दृश्य स्कोरिंग को चावल के आनुवंशिक कोड की गहरी जांच के साथ जोड़ा। उन्होंने विभिन्न स्थानों से चावल की 118 अलग-अलग रेखाएं (lines) एकत्र कीं और उन्हें चीन के झिंजियांग में एक खेत में उगाया। आधे पौधों को सामान्य मीठा पानी मिला, जबकि बाकी आधे को नमकीन पानी की एक निरंतर धारा के संपर्क में रखा गया, जो एक लवणीय क्षेत्र की स्थितियों की नकल करता है। जैसे-जैसे पौधे बढ़े, शोधकर्ताओं ने उन पर बारीकी से नज़र रखी। उन्होंने मानक स्कोरिंग प्रणाली का उपयोग करके दृश्य क्षति को रिकॉर्ड किया, लेकिन उन्होंने वास्तविक परिणामों को मापने के लिए पौधों के पूरी तरह परिपक्व होने तक प्रतीक्षा भी की: वे कितने ऊंचे बढ़े, उन्होंने कितने दाने पैदा किए, और उन दानों का वजन कितना था।

परिणामों ने एक स्पष्ट कहानी उजागर की कि कैसे नमक का तनाव एक चावल के पौधे को नया आकार देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि दृश्य स्कोर पौधों की भौतिक वास्तविकता के साथ अच्छी तरह मेल खाते थे। जो पौधे सबसे स्वस्थ दिख रहे थे, जिनमें हरी पत्तियां थीं और संकट के कोई लक्षण नहीं थे, वे वास्तव में वे थे जो सबसे अच्छा बढ़े और सबसे अधिक अनाज पैदा किया। हालांकि, अध्ययन ने एक विशिष्ट समझौते (trade-off) पर प्रकाश डाला। जो पौधे नमक के प्रति सबसे अधिक सहनशील थे, जिनमें कम क्षति दिखाई दी, वे मध्यम सहनशील पौधों की तुलना में छोटे और उनके बीज के सिर (seed heads) थोड़े छोटे थे। ऐसा प्रतीत होता है कि सबसे लचीले पौधे अपनी ऊर्जा बचाने का विकल्प चुनते हैं, और तीव्र विकास के बजाय अस्तित्व और मरम्मत पर ध्यान केंद्रित करते हैं। इसके विपरीत, जो पौधे मध्यम सहनशील थे, वे ऊंचे बढ़े और उनके बीज के सिर लंबे थे, लेकिन उनमें तनाव के अधिक दृश्य संकेत दिखाई दिए, जैसे कि पत्तियों का रंग बदलना।

इस अवलोकन ने टीम को इन पौधों के डीएनए में गहराई से देखने के लिए प्रेरित किया ताकि उन विशिष्ट क्षेत्रों को खोजा जा सके जो इन अंतरों के लिए जिम्मेदार हैं। पूरे जीनोम में पैटर्न को स्कैन करने वाली एक तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने चावल के गुणसूत्रों (chromosomes) पर कई विशिष्ट स्थानों की पहचान की जो नमक के प्रति सहनशीलता से जुड़े थे। उन्होंने एक, तीन, आठ और बारह नंबर के गुणसूत्रों पर बिखरे हुए पांच प्रमुख क्षेत्रों की पहचान की। इन क्षेत्रों के भीतर, उन्होंने ऐसे जीन खोजे जो पहले से ही नमक प्रतिरोध से जुड़े थे, और साथ ही नए संभावित जीन भी मिले जिनका इस संदर्भ में अध्ययन नहीं किया गया था। इनमें से कुछ जीन पौधों को उनकी कोशिकाओं के भीतर लवणों के संतुलन को प्रबंधित करने में मदद करने के लिए जाने जाते हैं, जबकि अन्य शायद यह नियंत्रित करते हैं कि पौधे तनाव के संकेतों पर कैसे प्रतिक्रिया देते हैं या अपने विकास का प्रबंधन कैसे करते हैं।

शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट विचार का भी परीक्षण किया: क्या नमक के तनाव में जीवित रहने की क्षमता एक एकल "जादुई" जीन द्वारा निर्धारित होती है या कई छोटे आनुवंशिक कारकों के संयुक्त प्रभाव द्वारा? प्रत्येक पौधे में ज्ञात नमक-सहनशीलता वाले जीनों की संख्या गिनकर, उन्होंने पाया कि जिन पौधों में इन सहायक जीनों की संख्या अधिक थी, वे आम तौर पर बेहतर जीवित रहे। यह सुझाव देता है कि नमक के प्रति सहनशीलता के लिए प्रजनन करना एक आदर्श जीन खोजने के बारे में नहीं है, बल्कि कई लाभकारी गुणों को एक साथ जोड़ने के बारे में है। अध्ययन ने पुष्टि की कि हालांकि दृश्य स्कोरिंग प्रणाली सहनशील पौधों को पहचानने के लिए एक विश्वसनीय उपकरण है, लेकिन अंततः उपज का निर्धारण अंतर्निहित आनुवंशिक संरचना ही करती है।

अंततः, यह कार्य ब्रीडर्स (प्रजननकर्ताओं) के लिए एक रोडमैप प्रदान करता है। यह दिखाते हुए कि कौन से विशिष्ट दृश्य संकेत किस आनुवंशिक क्षेत्र के अनुरूप हैं, यह अध्ययन यह आसान बनाता है कि चावल की ऐसी किस्में चुनी जाएं जो अत्यधिक उपज का त्याग किए बिना नमकीन मिट्टी का सामना कर सकें। शोधकर्ताओं ने विशिष्ट जीन की पहचान की है जिनका उपयोग प्रजनन प्रक्रिया को तेज करने के लिए मार्कर के रूप में किया जा सकता है, जिससे वैज्ञानिकों को पहले की तुलना में अधिक सटीकता के साथ नमक के प्रति सहनशीलता के लिए चयन करना संभव हो सकेगा। हालांकि यह कार्य तुरंत कोई "सुपर-राइस" नहीं बनाता है, लेकिन यह एक नया सुपर-राइस बनाने के लिए आवश्यक सटीक उपकरण प्रदान करता है, जो एक संघर्षरत पौधे के दृश्य संकेतों को बढ़ती दुनिया का पेट भरने के लिए एक स्पष्ट आनुवंशिक रणनीति में बदल देता है।