Genome-wide and haplotype mapping reveals genetic drivers of biomass productivity per unit water and nitrogen in sorghum

कृषि के क्षेत्रों में, दो संसाधन एक ऐसी फसल और एक ऐसी फसल के बीच का अंतर तय करते हैं जो राष्ट्र का पेट भरती है और एक ऐसी जो केवल जीवित रहने में मदद करती है: पानी और नाइट्रोजन। पानी पौधे के लिए जीवनरक्त है, जबकि नाइट्रोजन, जिसे अक्सर उर्वरक के रूप में लगाया जाता है, विकास के लिए ईंधन का कार्य करता है। दशकों से, किसान दोनों को अधिक मात्रा में जोड़कर कमी की समस्या को हल करने का प्रयास कर रहे हैं, लेकिन पृथ्वी अब उस दृष्टिकोण का समर्थन नहीं कर सकती। ताज़ा पानी दुर्लभ होता जा रहा है, और उर्वरकों से अतिरिक्त नाइट्रोजन जलमार्गों को विषाक्त कर रहा है और वायुमंडल को गर्म कर रहा है। इसलिए, समाधान स्वयं फसल से आना चाहिए। वैज्ञानिक अब ऐसे पौधों को उगाने के तरीके खोज रहे हैं जो इन बहुमूल्य इनपुट का कम उपयोग करके अधिक भोजन और बायोमास (biomass) का उत्पादन कर सकें। यह केवल पौधे को थोड़ा अधिक सख्त बनाने के बारे में नहीं है; यह मौलिक रूप से इस बारे में है कि एक पौधा उस पानी को जो वह पीता है और उस नाइट्रोजन को जो वह खाता है, उसे उन डंठलों और दानों में कैसे परिवर्तित करता है जिनका हम उत्पादन करते हैं।

सोरघम (ज्वार), एक कठोर अनाज जो अफ्रीका और एशिया के करोड़ों लोगों द्वारा उगाया जाता है, इस खोज के लिए एक आदर्श विषय है। यह स्वाभाविक रूप से कुशल है, जो गर्म और शुष्क परिस्थितियों में भी पनपता है जहाँ अन्य फसलें विफल हो जाती हैं। हालाँकि, इसे और बेहतर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इसकी दक्षता को नियंत्रित करने वाले छिपे हुए आनुवंशिक निर्देशों को समझने की आवश्यकता थी। भारत, बेल्जियम और 'इंटरनेशनल क्रॉप्स रिसर्च इंस्टीट्यूट फॉर द सेमी-एरिड ट्रॉपिक्स' के वैज्ञानिकों की एक टीम ने इन निर्देशों का मानचित्र तैयार करने का निर्णय लिया। उन्होंने 172 सोरघम लाइनों का एक विविध समूह एकत्र किया, जिसमें मानक खेती वाली किस्में और खेती वाले सोरघम को उसके जंगली, बारहमासी संबंधी 'जॉनसनग्रास' (एक घास) के साथ क्रॉस करने से बनाई गई विशेष लाइनें शामिल थीं। यह जंगली संबंधी अपनी गहरी जड़ों और पुनर्जन्म की क्षमता के लिए प्रसिद्ध है, जो बेहतर संसाधन उपयोग की कुंजी हो सकते हैं। शोधकर्ताओं ने इन पौधों को तीन अलग-अलग वातावरणों में उगाया: इटली में एक समशीतोष्ण क्षेत्र और भारत में दो अर्ध-शुष्क स्थान, जिससे उन्हें पानी और नाइट्रोजन के विभिन्न स्तरों के संपर्क में लाया गया ताकि देखा जा सके कि वे कैसा प्रदर्शन करते हैं।

पहला प्रमुख निष्कर्ष यह था कि पौधे के जीन विकास को कैसे नियंत्रित करते हैं, इसमें एक स्पष्ट विभाजन था। टीम ने पाया कि शुष्क बायोमास (dry biomass)—पौधे के तने और पत्तियों के कुल वजन—का उत्पादन करने की क्षमता पौधे के जीन द्वारा मजबूती से नियंत्रित होती है। वैज्ञानिक शब्दों में, यह गुण अत्यधिक वंशानुगत (heritable) था, जिसका अर्थ है कि यदि एक जनक पौधा पानी और नाइट्रोजन को बायोमास में बदलने में कुशल था, तो उसकी संतान भी भी कुशल होने की संभावना थी। यह परीक्षण किए गए सभी विभिन्न वातावरणों में सत्य रहा। इसके विपरीत, पानी या नाइट्रोजन की प्रति इकाई अनाज की उपज (grain yield) उत्पन्न करने की क्षमता बहुत अधिक अराजक थी। अनाज के लिए आनुवंशिक संकेत कमजोर था और वर्ष की विशिष्ट मौसम और मिट्टी की स्थितियों से अत्यधिक प्रभावित था। यह सुझाव देता है कि जबकि प्रजनक कम संसाधनों के साथ अधिक वानस्पतिक द्रव्यमान (vegetative mass) विकसित करने वाले पौधों का विश्वसनीय रूप से चयन कर सकते हैं, अनाज की दक्षता में सुधार करना एक बहुत कठिन पहेली है जिसके लिए एक अलग दृष्टिकोण की आवश्यकता है, जिसमें संभवतः एकल जीन के सरल चयन के बजाय जटिल भविष्यवाणियों की आवश्यकता होगी।

सबसे कुशल पौधों के डीएनए की गहराई में जाते हुए, शोधकर्ताओं ने गुणसूत्रों (chromosomes) पर विशिष्ट क्षेत्रों की पहचान की जो संसाधन उत्पादकता के लिए स्विच के रूप में कार्य करते हैं। उन्होंने बायोमास दक्षता से जुड़े 22 विशिष्ट जीनोमिक क्षेत्र पाए। गुणसूत्र 9 पर एक स्थान विशेष रूप से उल्लेखनीय था, जो विभिन्न सांख्यिकीय मॉडलों और लक्षण मापों में लगातार दिखाई दिया। यह स्थान ठीक उस जीन के बगल में स्थित है जो नाइट्रेट (नाइट्रोजन का एक रूप) के प्रति पौधे की प्रतिक्रिया के लिए एक मास्टर रेगुलेटर के रूप में कार्य करता है। जब यह जीन सक्रिय होता है, तो यह उपलब्ध नाइट्रोजन की मात्रा के साथ पौधे के विकास को समन्वित करने में मदद करता है। उसी गुणसूत्र पर पास में ही, एक अन्य जीन एक अणु का उत्पादन करता है जो पौधे की कार्बन स्थिति को संकेत देता है, जो अनिवार्य रूप से पौधे को बताता है कि उसके पास विकास पर खर्च करने के लिए कितनी ऊर्जा है। इन दो जीनों की निकटता एक शक्तिशाली तंत्र का सुझाव देती है जहाँ पौधा अपने विकास को अधिकतम करने के लिए अपनी नाइट्रोजन प्राप्ति को अपने ऊर्जा भंडार के साथ लगातार संतुलित करता है।

अध्ययन ने यह भी उजागर किया कि पानी और नाइट्रोजन को एक ही आणविक मशीनरी द्वारा कैसे प्रबंधित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने एक संभावित जीन की पहचान की जो एक चैनल प्रोटीन, जिसे एक्वापोरिन (aquaporin) कहा जाता है, को कोड करता है, जो पौधे की जड़ों में स्थित होता है। जबकि ये चैनल पानी को स्थानांतरित करने के लिए प्रसिद्ध हैं, कुछ संस्करण अमोनिया जैसे नाइट्रोजन यौगिकों को भी ले जा सकते हैं। यदि सोरघम में यह विशिष्ट चैनल दोनों कार्य करता है, तो यह एक सीधा जैविक शॉर्टकट होगा, जिससे पौधा एक ही प्रवेश द्वार के माध्यम से पानी और उर्वरक दोनों को एक साथ ग्रहण कर सकेगा। इसके अतिरिक्त, टीम ने हार्मोन सिग्नलिंग में शामिल जीनों की पहचान की, विशेष रूप से वे जो साइटोकिनिन (cytokinins) के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं, जो कि वे पादप हार्मोन हैं जो पोषक तत्वों की उपलब्धता के आधार पर जड़ वृद्धि और पत्ती के विकास को नियंत्रित करते हैं। ये निष्कर्ष एक परिष्कृत नेटवर्क की ओर इशारा करते हैं जहाँ पौधा यह तय करने के लिए हार्मोन और सिग्नलिंग अणुओं का उपयोग करता है कि उसे मिट्टी में क्या मिला है उसके आधार पर कितना बढ़ना है।

जंगली रिश्तेदारों से जुड़ी कहानी में एक आश्चर्यजनक मोड़ आया। शोधकर्ताओं को उम्मीद थी कि खेती वाले सोरघम को जंगली जॉनसनग्रास के साथ क्रॉस करने से वे पूरी तरह से नए, शक्तिशाली गुण पेश होंगे जो खेती के हजारों वर्षों के दौरान घरेलू पौधों ने खो दिए थे। जबकि जंगली लाइनों ने अद्वितीय आनुवंशिक विविधताओं को भी लाया, संसाधन दक्षता के लिए सबसे प्रभावी आनुवंशिक संयोजन जंगली-संक्रमित (wild-introgressed) लाइनों में नहीं पाए गए। इसके बजाय, सबसे अनुकूल आनुवंशिक पैटर्न पहले से ही खेती वाले सोरघम की आबादी के भीतर मौजूद थे, बस छिपे हुए और दुर्लभ थे। जंगली लाइनें मुख्य रूप से दुर्लभ आनुवंशिक संयोजन लेकर आई थीं जो वर्तमान अध्ययन में उपयोगी होने के लिए बहुत असामान्य थे। यह सुझाव देता है कि सोरघम की दक्षता में सुधारने की आनुवंशिक क्षमता काफी हद तक मौजूदा फसल किस्मों के भीतर ही निहित है, जो केवल पहचाने जाने और एक साथ लाए जाने की प्रतीक्षा कर रही है, न कि जंगली प्रजातियों से आयात करने की आवश्यकता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि क्या एकल डीएनए अक्षरों के बजाय जीनों के समूहों, या हैप्लोटाइप्स (haplotypes) को देखने से अधिक मजबूत संकेत मिलेंगे। एक विशिष्ट मामले में, जीनों के ब्लॉक को एक साथ देखने से प्रदर्शन में भारी अंतर का पता चला। केवल कुछ ही पौधों में पाए जाने वाले एक दुर्लभ आनुवंशिक संयोजन के परिणामस्वरूप पानी की प्रति इकाई बायोमास उत्पादन में सामान्य संस्करण की तुलना में 2.7 गुना वृद्धि हुई। यह रेखांकित करता है कि जबकि एकल जीन मार्कर उपयोगी हैं, कभी-कभी वास्तविक शक्ति जीनों के विशिष्ट संयोजन में निहित होती है जो एक साथ विरासत में मिलते हैं। हालाँकि, गुणसूत्र 9 पर सबसे प्रमुख संकेत के लिए, एकल डीएनए मार्कर आसपास के जीन ब्लॉक की तुलना में एक बेहतर भविष्यवक्ता था, जो इंगित करता है कि जीनोम के विभिन्न हिस्सों के लिए अलग-अलग आनुवंशिक रणनीतियों की आवश्यकता होती है।

अंततः, यह कार्य बदलती जलवायु में फलने-फूलने वाले सोरघम के प्रजनन के लिए एक रोडमैप प्रदान करता है। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि बायोमास में पानी और नाइट्रोजन को बदलने की पौधे की क्षमता में सुधार करना एक आनुवंशिक रूप से सुलभ लक्ष्य है, जिसमें प्रजननकर्ताओं के ध्यान केंद्रित करने के लिए स्पष्ट लक्ष्य पहचाने गए हैं। सबसे आशाजनक लक्ष्य वे जीन हैं जो नाइट्रोजन के प्रति पौधे की संवेदनशीलता और प्रतिक्रिया को नियंत्रित करते हैं, वे जीन जो पानी और पोषक तत्वों के परिवहन का प्रबंधन करते हैं, और वे जीन जो पौधे के ऊर्जा बजट को संतुलित करते हैं। जबकि अनाज की दक्षता में सुधार का मार्ग जटिल और पर्यावरण के प्रति संवेदनशील बना हुआ है, पौधे की समग्र विकास दक्षता में सुधार का मार्ग अब आलोकित है। इन अनुकूल आनुवंशिक लक्षणों को जोड़ने से, प्रजनक ऐसे सोरघम की किस्में विकसित कर सकते हैं जो कम पानी और उर्वरक के साथ अधिक भोजन और चारा पैदा कर सकें, जो संसाधन-सीमित ग्रह पर बढ़ती आबादी को खिलाने की चुनौती के लिए एक ठोस समाधान प्रदान करता है।