Mapping of early blight (Alternaria solani) disease tolerance in Tomato (Solanum Lycopersicum L.) through QTL-Seq and expression analysis of defense-related genes

टमाटर दुनिया की सबसे प्रिय फसलों में से एक है, जो दक्षिण अमेरिका से लेकर दुनिया के हर कोने तक बगीचों और रसोई का एक मुख्य हिस्सा है। फिर भी, किसानों और उत्पादकों के लिए, ये पौधे एक निरंतर शत्रु का सामना करते हैं: अर्ली ब्लाइट (early blight)। यह रोग एक कवक (फंगस) के कारण होता है जो पत्तियों पर हमला करता है, जिसकी शुरुआत छोटे, गहरे धब्बों और संकेंद्रित छल्लों (concentric rings) से होती है जो नन्हे लक्ष्यों (targets) की तरह दिखते हैं। जैसे-जैसे संक्रमण फैलता है, पत्तियां पीली होकर मरने लगती हैं और अंततः पौधे से गिर जाती हैं। यह पत्तों का झड़ना टमाटर को फल पैदा करने की क्षमता से वंचित कर देता है और शेष टमाटरों को धूप से झुलसने (sunburn) के प्रति संवेदनशील बना देता है, जिससे फसल के उत्पादन में भारी नुकसान होता है। दशकों से, ब्रीडर्स (प्रजनक) ऐसी टमाटर की किस्में बनाने के लिए संघर्ष कर रहे हैं जो इस कवक का सामना कर सकें। अर्ली ब्लाइट के प्रति प्रतिरोधक क्षमता किसी एक स्विच द्वारा नियंत्रित नहीं होती है, बल्कि यह एक जटिल लक्षण है जो कई जीनों के मिलकर काम करने से प्रभावित होता है, जो अक्सर पौधे के परिपक्व होने की गति या फल उत्पादन की मात्रा जैसे अन्य लक्षणों के साथ उलझा हुआ होता है। इस जटिलता के कारण, एक ऐसा टमाटर ढूंढना जो उच्च उपज देने वाला और रोग-प्रतिरोधी दोनों हो, एक धीमी और कठिन प्रक्रिया रही है।

हाल ही के एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने टमाटर के पौधों के आनुवंशिक कोड (genetic code) को सीधे देखकर इस जटिलता को सुलझाने का प्रयास किया। उन्होंने एक विशिष्ट पद्धति पर ध्यान केंद्रित किया जिसे QTL-Seq कहा जाता है, जो एक पौधे के डीएनए के उन विशिष्ट क्षेत्रों को खोजने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है जो किसी विशेष लक्षण को नियंत्रित करते हैं। कल्पना कीजिए कि टमाटर का जीनोम निर्देशों का एक विशाल पुस्तकालय है; यह पद्धति वैज्ञानिकों को उन अलमारियों को तेजी से स्कैन करने और ठीक से यह पहचानने की अनुमति देती है कि किन पुस्तकों में कवक से लड़ने के निर्देश हैं। टीम ने दो बहुत ही अलग टमाटर माता-पिता (parents) से शुरुआत की: एक किस्म जो अर्ली ब्लाइट के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होने के लिए जानी जाती थी, और एक ब्रीडिंग लाइन जिसने इस बीमारी के प्रति मजबूत सहनशीलता दिखाई थी। उन्होंने इन दोनों माता-पिता के बीच क्रॉस कराया जिससे 298 संतानों का एक बड़ा परिवार बना, जिसे F2 आबादी (population) के रूप में जाना जाता है। इन संतानों ने अपने दोनों माता-पिता से जीन विरासत में प्राप्त किए, जिसके परिणामस्वरूप बीमारी के प्रति प्रतिक्रियाओं की एक विस्तृत श्रृंखला मिली, जिनमें वे पौधे भी शामिल थे जो स्वस्थ रहे और वे भी जो गंभीर रूप से संक्रमित हुए।

प्रतिरोध की आनुवंशिक कुंजियों को खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने सबसे पहले इस परिवार के प्रत्येक पौधे का परीक्षण किया। उन्होंने प्रत्येक पौधे से पत्तियां लीं और उन्हें एक नियंत्रित वातावरण में कवक के संपर्क में लाया, और एक सप्ताह के दौरान रोग की प्रगति को देखा। पत्तियों को हुए नुकसान के आधार पर, उन्होंने पौधों को दो चरम समूहों में विभाजित किया: एक "रेसिस्टेंट बल्क" (प्रतिरोधी समूह) जिसमें 30 सबसे स्वस्थ पौधे थे, और एक "ससेप्टिबल बल्क" (संवेदनशील समूह) जिसमें 30 सबसे अधिक क्षतिग्रस्त पौधे थे। इसके बाद उन्होंने इन दोनों समूहों और मूल माता-पिता के पौधों से डीएनए निकाला। इन समूहों के डीएनए को अनुक्रमित (sequence) करके और उनके बीच के आनुवंशिक अंतरों की तुलना करके, शोधकर्ता देख सके कि जीनोम के कौन से हिस्से स्वस्थ और बीमार पौधों के बीच लगातार भिन्न थे। यदि डीएनए का एक विशिष्ट क्षेत्र प्रतिरोधी समूह में दिखाई दिया लेकिन संवेदनशील समूह में नहीं, तो वह प्रतिरोध जीन होने का एक प्रबल दावेदार था।

विश्लेषण ने टमाटर के जीनोम में पांच विशिष्ट क्षेत्रों का खुलासा किया जो अर्ली ब्लाइट को सहने की क्षमता से मजबूती से जुड़े हुए थे। चार क्षेत्र क्रोमोसोम 2 पर स्थित थे, और एक क्रोमोसोम 6 पर पाया गया। ये निष्कर्ष महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे आनुवंशिक कोड के उन सटीक पड़ोसों (neighborhoods) को चिह्नित करते हैं जहाँ रक्षा तंत्र संभवतः छिपे हुए हैं। इन पहचाने गए क्षेत्रों के भीतर, शोधकर्ताओं ने उन विशिष्ट जीनों की तलाश की जो पादप प्रतिरक्षा (plant immunity) में भूमिका निभाने के लिए जाने जाते हैं। उन्हें कुछ आशाजनक उम्मीदवार मिले, जिनमें वे जीन शामिल हैं जो कवक का पता लगाने के लिए सेंसर के रूप में कार्य करते हैं और अन्य जो पौधे की आंतरिक रक्षा प्रणालियों को सक्रिय करते हैं। इनमें ऐसे प्रोटीन बनाने वाले जीन भी शामिल थे जो आक्रमणकारी को पहचानने में सक्षम हैं और पौधे को वापस लड़ने का संकेत देते हैं, साथ ही तनाव प्रतिक्रिया (stress response) को विनियमित करने में मदद करने वाले जीन भी शामिल थे।

यह पुष्टि करने के लिए कि क्या वास्तव में ये जीन बीमारी से लड़ने का काम कर रहे हैं, शोधकर्ताओं ने यह देखा कि वे समय के साथ कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने दोनों प्रतिरोधी और संवेदनशील माता-पिता के पत्तों को संक्रमित किया और संक्रमण के विभिन्न अंतराल पर इन विशिष्ट जीनों की गतिविधि को मापा। प्रतिरोधी पौधों में, हमने इन रक्षात्मक जीनों की गतिविधि में नाटकीय वृद्धि देखी। उदाहरण के लिए, एक जीन जो कवक के विकास को रोकने के लिए प्रोटीन बनाता है, वह नियंत्रण समूह की तुलना में प्रतिरोधी पौधों में लगभग छह गुना अधिक सक्रिय हो गया। एक अन्य जीन, जो अन्य रक्षात्मक जीनों के लिए मास्टर रेगुलेटर के रूप में कार्य करता है, उसने भी गतिविधि में जबरदस्त उछाल दिखाया। इसके विपरीत, इन जीनों ने संवेदनशील पौधों में समान स्तर की प्रतिक्रिया नहीं दिखाई। यह पैटर्न बताता है कि इन विशिष्ट आनुवंशिक रक्षाओं को कितनी तेजी से और कितनी मजबूती से सक्रिय करने की क्षमता है, यही प्रतिरोधी टमाटर रेखा को हमले से बचने में सक्षम बनाती है।

यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने अर्ली ब्लाइट की समस्या को पूरी तरह से हल कर दिया है, और न ही यह सुझाव देता है कि ये जीन अकेले एक आदर्श टमाटर बनाएंगे। इसके बजाय, यह कार्य एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है कि प्रतिरोध जीन कहाँ स्थित हैं और इसमें शामिल विशिष्ट आणविक खिलाड़ी कौन से हैं। यह जानकारी ब्रीडर्स के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। यह जानकर कि डीएनए के किन हिस्सों को खोजना है, वे केवल खेत में पौधों को बढ़ते हुए देखने की तुलना में बहुत तेजी से और अधिक सटीकता से इन लक्षणों के लिए चयन कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण ऐसे टमाटर की किस्में विकसित करने में मदद कर सकता है जो न केवल अर्ली ब्लाइट के प्रति प्रतिरोधी हों, बल्कि उच्च उपज और वांछित गुणों को भी बनाए रखें जिनकी किसानों और उपभोक्ताओं को आवश्यकता होती है। यह शोध इस बात पर प्रकाश डालता है कि हालांकि पादप रोगों के खिलाफ लड़ाई जटिल है, आधुनिक आनुवंशिक उपकरण पौधों द्वारा खुद को बचाने के लिए उपयोग की जाने वाली रणनीतियों का एक स्पष्ट दृश्य प्रदान कर रहे हैं, जो भविष्य में अधिक लचीली फसलों का मार्ग प्रशस्त कर रहे हैं।