Construction and preliminary characterization of an early generation multi-parent sorghum bicolor population for climate-adaptive breeding

अफ्रीका और एशिया के शुष्क और अर्ध-शुष्क क्षेत्रों में, एक अकेला अनाज लाखों लोगों के अस्तित्व का आधार बना हुआ है। ज्वार (सोरघम) केवल एक अनाज नहीं है; यह एक मुख्य आहार, पशु आहार का स्रोत और उद्योग के लिए एक कच्चा माल भी है। इस पौधे को जो इतना महत्वपूर्ण बनाता है, वह इसकी अन्य फसलों की तुलना में वहां फलने-फूलने की क्षमता है, जहाँ वे विफल हो जाती हैं, और यह तीव्र गर्मी और बिना वर्षा के लंबे समय को सहने में सक्षम है। इन क्षेत्रों के किसानों के लिए, फसल और अकाल के बीच का अंतर अक्सर उन बीजों की आनुवंशिक संरचना पर निर्भर करता है जिन्हें वे बोते हैं। हालाँकि, इन फसलों में सुधार करना एक धीमी और कठिन प्रक्रिया है। पारंपरिक प्रजनन विधियाँ अक्सर केवल दो जनक पौधों के संकरण (क्रॉसिंग) पर निर्भर करती हैं, जो प्रजननकर्ताओं के लिए उपलब्ध गुणों की विविधता को सीमित कर देती हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिक एक अधिक जटिल रणनीति की ओर बढ़ रहे हैं जिसमें एक साथ कई अलग-अलग जनक पौधों के जीन को मिलाने की प्रक्रिया शामिल है। यह दृष्टिकोण आनुवंशिक संयोजनों का एक समृद्ध ताना-बाना बनाता है, जो चुनी जाने वाली विशेषताओं का एक बहुत व्यापक भंडार प्रदान करता है, जैसे कि सूखे के दौरान हरा रहने की क्षमता या बारिश समाप्त होने से पहले तेजी से परिपक्व होने की क्षमता।

नाइरोबी विश्वविद्यालय और उसके सहयोगियों की एक शोध टीम ने ज्वार के लिए ऐसा ही एक संसाधन बनाने का लक्ष्य रखा। उन्होंने ग्यारह विशिष्ट जनक लाइनों के बीच संकरण कराकर पौधों की एक नई आबादी तैयार की, जिनमें से प्रत्येक को सूखा सहने की क्षमता, उच्च उपज या शीघ्र परिपक्वता जैसी विशिष्ट खूबियों के लिए चुना गया था। वे केवल एक साधारण क्रॉस तक ही नहीं रुके; उन्होंने इन संतानों को आपस में प्रजनन करने और फिर दो पीढ़ियों तक स्व-परागण (सेल्फ-पॉलिनेशन) करने की अनुमति दी। इसका परिणाम एक आंशिक रूप से विकसित "बहु-जनक" (multi-parent) आबादी थी, जो 176 अद्वितीय पौधों की लाइनों का एक जीवित पुस्तकालय है, जिनमें ग्यारह संस्थापकों के जीनों का एक मिश्रित स्वरूप मौजूद है। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या यह जटिल मिश्रण वास्तव में काम कर रहा है। उन्हें यह देखने की आवश्यकता थी कि क्या नए पौधों ने उपयोगी होने के लिए पर्याप्त आनुवंशिक विविधता को बनाए रखा है और क्या वे शारीरिक भिन्नताओं, विशेष रूप से फूल आने के समय में, एक विस्तृत श्रृंखला प्रदर्शित करते हैं। फूल आने का समय एक महत्वपूर्ण गुण है क्योंकि यह निर्धारित करता है कि पौधा कब अनाज उत्पादन के लिए तैयार होता है, और बदलते मौसम के पैटर्न में जीवित रहने के लिए इस समय का सही होना आवश्यक है।

इन प्रश्नों का उत्तर देने के लिए, टीम ने दो बढ़ते मौसमों के दौरान तीन अलग-अलग स्थानों पर इन नई पौधों की लाइनों को उगाया। उन्होंने मापा कि प्रत्येक पौधे को फूल आने में कितने दिन लगे और इन परिणामों की तुलना मूल ग्यारह जनकों से की। निष्कर्ष उत्साहजनक थे। जबकि जनक पौधे लगभग 51 से 61 दिनों की एक अपेक्षाकृत संकीर्ण अवधि के भीतर फूल आए थे, नई पीढ़ी के पौधों ने एक बहुत व्यापक श्रेणी दिखाई, जो 45 से 75 दिनों के बीच फूल आए। यह विस्तृत प्रसार "ट्रांसग्रेसिव सेग्रीगेशन" (transgressive segregation) का एक संकेत है, जो एक ऐसी घटना है जहाँ संतान अपने माता-पिता की तुलना में अधिक चरम लक्षण प्रदर्शित करती है। इस मामले में, नई पौधों की लाइनों में कुछ ऐसे पौधे भी शामिल थे जो मूल जनकों की तुलना में बहुत पहले फूल आए और कुछ ऐसे भी जो बहुत देर से फूल आए। यह सुझाव देता है कि प्रजनन प्रक्रिया ने सफलतापूर्वक जीनों के ऐसे नए संयोजन बनाए हैं जो शुरुआती सामग्रियों में मौजूद नहीं थे, जिससे प्रजननकर्ताओं को भविष्य की फसलों के लिए चयन के व्यापक विकल्प प्राप्त हुए हैं।

शोधकर्ताओं ने इन पौधों की आनुवंशिक संरचना को समझने के लिए उनके डीएनए के भीतर भी देखा। एक आधुनिक अनुक्रमण तकनीक (sequencing technique) का उपयोग करते हुए, उन्होंने 5,500 से अधिक विशिष्ट आनुवंशिक मार्करों की पहचान की, जो पौधों के गुणसूत्रों (क्रोमोसोम) के साथ संकेतकों की तरह कार्य करते हैं। इन मार्करों ने खुलासा किया कि यह आबादी एक समान ब्लॉक नहीं थी, बल्कि नौ विशिष्ट आनुवंशिक समूहों से बनी थी, जिनमें से प्रत्येक ग्यारह संस्थापकों के विभिन्न योगदानों का एक अलग मिश्रण रखता है। कुछ जनक रेखाओं ने कुछ समूहों में अधिक योगदान दिया, जिससे संबंधों का एक जटिल नेटवर्क बन गया। अध्ययन में पाया गया कि आनुवंशिक विविधता उच्च बनी रही, और पौधों ने विभिन्न जीन संस्करणों का एक स्वस्थ मिश्रण बनाए रखा। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि आबादी ने भविष्य के सुधार के लिए अपनी क्षमता को खोया नहीं है। समूहों के बीच आनुवंशिक अंतर इतने महत्वपूर्ण थे कि उन्हें पहचाना जा सके, फिर भी पौधे इतने मिश्रित थे कि विशिष्ट गुणों का सूक्ष्म मानचित्रण (fine-tuned mapping) किया जा सके।

ऐसी आबादी बनाने का एक प्रमुख लक्ष्य यह आसान बनाना है कि महत्वपूर्ण गुणों के लिए जिम्मेदार विशिष्ट जीन को ढूँढा जा सके। शोधकर्ताओं ने पौधों के फूल आने के दिनों और आनुवंशिक मार्करों के बीच संबंध खोजकर इसका परीक्षण किया। उनके विश्लेषण ने जीनोम में नौ विशिष्ट स्थानों की ओर संकेत किया जो फूल आने के समय से मजबूती से जुड़े हुए थे। ये स्थान छह अलग-अलग गुणसूत्रों में फैले हुए थे। जब वैज्ञानिकों ने इन मार्करों के पास पाए गए जीनों का परीक्षण किया, तो उन्होंने कई ऐसे जीन खोजे जो पौधों द्वारा प्रकाश को महसूस करने और उनके विकास को नियंत्रित करने में भूमिका निभाते हैं। उदाहरण के लिए, उन्होंने उन जीनों को पाया जो पौधों को प्रकाश संकेतों का पता लगाने में मदद करते हैं और अन्य जो हार्मोन के प्रति पौधे की प्रतिक्रिया को नियंत्रित करते हैं। ये निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि यह आबादी जटिल गुणों के आनुवंशिक आधार को पहचानने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह नई आबादी ज्वार के प्रजनन के लिए एक सफल और मूल्यवान संसाधन है। इसने अपने विविध जनकों के सर्वोत्तम गुणों को एक एकल, आनुवंशिक रूप से समृद्ध समूह में सफलतापूर्वक संयोजित किया है। पौधे शारीरिक विशेषताओं की एक विस्तृत विविधता प्रदर्शित करते हैं और उनमें आगे के अनुसंधान के लिए आवश्यक आनुवंशिक विविधता बनी हुई है। हालांकि यह आबादी अभी अपने शुरुआती चरणों में है और इसे प्रजनन की और अधिक पीढ़ियों तथा अधिक विस्तृत आनुवंशिक परीक्षण से लाभ होगा, लेकिन इसने पहले ही अपनी उपयोगिता सिद्ध कर दी है। यह वैज्ञानिकों को सूखे के प्रति सहनशीलता और उपज जैसे जटिल गुणों का विश्लेषण करने के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है। वांछित विशेषताओं को उत्पन्न करने के लिए जीन कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसका स्पष्ट दृश्य प्रदान करके, यह कार्य बदलती जलवायु में दुनिया का पेट भरने के लिए बेहतर रूप से सुसज्जित ज्वार की किस्मों को विकसित करने का मार्ग प्रशस्त करता है।