Genome-wide association study in Arabidopsis reveals IAN genes regulate pollen heatwave tolerance
यह अध्ययन एक नवीन मशीन-लर्निंग-आधारित फेनोटाइपिंग परख और जीनोम-वाइड एसोसिएशन स्टडी के माध्यम से *एराबिडोप्सिस* में पराग हीटवेव सहनशीलता के नकारात्मक नियामकों के रूप में इम्यून-एसोसिएटेड न्यूक्लियोटाइड-बाइंडिंग (IAN) जीन के एक क्लस्टर की पहचान करता है, जो उन्हें जलवायु-लचीली फसलों की ब्रीडिंग के लिए संभावित लक्ष्यों के रूप में सुझाता है।
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जैसे-जैसे ग्रह गर्म हो रहा है, दुनिया को आकार देने वाले मौसम के पैटर्न बढ़ती तीव्रता के साथ बदल रहे हैं। इनमें सबसे विघटनकारी परिवर्तनों में से एक हीटवेव (लू) है: असामान्य रूप से उच्च तापमान की लंबी अवधि जो कई दिनों तक चलती है। जबकि पौधे अक्सर गर्म परिस्थितियों में फलते-फूलते हैं, उनकी प्रजनन करने की क्षमता नाजुक होती है। कई फसलों और जंगली प्रजातियों के लिए, फूलों के मौसम के दौरान अत्यधिक गर्मी के कुछ दिन पुरुष प्रजनन कोशिकाओं, जिन्हें पराग (पॉलेन) कहा जाता है, को विफल कर सकते हैं। जब पराग मर जाता है, तो बीज नहीं बनते, और फसल नष्ट हो जाती है। खाद्य सुरक्षा के इस खतरे ने वैज्ञानिकों को उन आनुवंशिक कुंजियों को खोजने के लिए प्रेरित किया है जो पौधों को इन झुलसा देने वाली लहरों के दौरान जीवित रहने में मदद कर सकती हैं। शोधकर्ता लंबे समय से जानते हैं कि अत्यधिक गर्मी के अचानक, छोटे विस्फोट पौधों में उत्तरजीविता की प्रतिक्रियाओं का एक समूह सक्रिय करते हैं, जबकि हीटवेव की धीमी, निरंतर गर्मी जैविक मार्गों का एक बिल्कुल अलग समूह सक्रिय करती है। पराग को इन लंबी, गर्म अवधियों के दौरान बचाने वाले विशिष्ट जीन को समझना फसलों को बदलते जलवायु के अनुकूल बनाने के लिए आवश्यक है।
हाल ही में एक अध्ययन में, नीदरलैंड के रेडबॉड यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'अरेबिडोप्सिस थैलियाना' (Arabidopsis thaliana) नामक एक मॉडल पौधे पर ध्यान केंद्रित करके इस चुनौती का समाधान किया, जो एक छोटा फूल वाला खरपतवार है और अक्सर यह समझने के लिए उपयोग किया जाता है कि पौधे कैसे कार्य करते हैं। वैज्ञानिक यह पता लगाना चाहते थे कि कौन से जीन कुछ पौधों को हीटवेव के दौरान अपने पराग को जीवित रखने की अनुमति देते हैं जबकि अन्य विफल हो जाते हैं। ऐसा करने के लिए, उन्हें पहले एक व्यावहारिक समस्या को हल करना था: पराग की गिनती करना उबाऊ है, और सैकड़ों पौधों के लिए इसे हाथ से करना लगभग असंभव है। टीम ने एक नई विधि विकसित की जो एक सरल रासायनिक रंग (स्टेन) को एक कंप्यूटर प्रोग्राम के साथ जोड़ती है जिसे छवियों को पहचानने के लिए प्रशिक्षित किया गया है। उन्होंने फूलों से पराग एकत्र किया और उसे एक ऐसे डाई (रंग) से उपचारित किया जो जीवित कोशिकाओं को बैंगनी कर देता है जबकि मृत कोशिकाओं को रंगहीन छोड़ देता है। सूक्ष्मदर्शी के नीचे इन नन्हे सेल्स को गिनने के बजाय, उन्होंने उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली तस्वीरें लीं और उन्हें मशीन-लर्निंग सिस्टम में डाला। इस सॉफ्टवेयर ने उच्च सटीकता के साथ स्वस्थ पराग, मृत पराग और मलबे के बीच अंतर करना सीखा, जिससे शोधकर्ताओं के लिए हजारों नमूनों को तेजी से और निरंतर रूप से संसाधित करना संभव हो गया।
इस नए उपकरण के साथ, टीम ने 208 विभिन्न अरेबिडोप्सिस पौधों का एक विविध समूह एकत्र किया, जिन्हें इबेरियन प्रायद्वीप और मोरक्को के विभिन्न स्थानों से एकत्र किया गया था। ये पौधे प्राकृतिक आनुवंशिक विविधताओं की एक विस्तृत श्रृंखला का प्रतिनिधित्व करते हैं। शोधकर्ताओं ने इन सभी को नियंत्रित स्थितियों में उगाया जो एक हीटवेव की नकल करती थीं: फूलों के चरण के दौरान एक सप्ताह से अधिक समय तक 31 डिग्री सेल्सियस का स्थिर तापमान। इस गर्मी के संपर्क में आने के बाद, उन्होंने यह मापने के लिए अपने स्वचालित इमेजिंग सिस्टम का उपयोग किया कि प्रत्येक किस्म में कितना पराग जीवित रहा। परिणामों ने उत्तरजीविता दर में भारी अंतर दिखाया; कुछ पौधों ने लगभग सारा पराग खो दिया, जबकि अन्य ने लगभग सारा पराग व्यवहार्य बनाए रखा। इस व्यापक भिन्नता ने सुझाव दिया कि गर्मी को सहने की क्षमता इन पौधों के डीएनए में लिखी गई थी, जो खोजे जाने की प्रतीक्षा कर रही थी।
इसके बाद शोधकर्ताओं ने इन पौधों की उत्तरजीविता दर की तुलना उनके आनुवंशिक मानचित्रों से की ताकि यह देखा जा सके कि कौन से विशिष्ट डीएनए अनुक्रम गर्मी सहने की क्षमता से जुड़े हैं। यह प्रक्रिया, जिसे जीनोम-वाइड एसोसिएशन स्टडी कहा जाता है, एक सर्चलाइट की तरह कार्य करती है, जो पूरे जीनोम को स्कैन करती है ताकि उन स्थानों को खोजा जा सके जहाँ गर्मी-सहनशील पौधों का जेनेटिक कोड गर्मी-संवेदनशील पौधों से भिन्न होता है। इस खोज ने पहले क्रोमोसोम (गुणसूत्र) पर एक विशिष्ट क्षेत्र की ओर संकेत किया। डीएनए के इस छोटे से हिस्से के भीतर, टीम को 'आईएएन' (IAN) जीन नामक जीनों का एक समूह मिला। ये जीन एक परिवार का हिस्सा हैं जिसका उपयोग पौधा तनाव प्रबंधन के लिए करता है, लेकिन इस संदर्भ में, वे पौधे के अस्तित्व के विरुद्ध कार्य करते हुए दिखाई दिए। डेटा से पता चला कि ये जीन एक ब्रेक की तरह कार्य करते हैं, जो पौधे की गर्मी सहने की क्षमता को दबा देते हैं।
इसकी पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पौधे के एक विशेष संस्करण का परीक्षण किया जिसमें चार आईएएन जीनों को बंद (switch off) कर दिया गया था। जब इन संशोधित पौधों को उसी हीटवेव की स्थिति में रखा गया, तो सामान्य पौधों की तुलना में उनका पराग काफी उच्च दर से जीवित रहा। इस प्रयोग ने सिद्ध कर दिया कि आईएएन जीन वास्तव में गर्मी सहने की क्षमता को कम करने के लिए जिम्मेदार हैं। प्रकृति में, ये जीन एक अलग उद्देश्य पूरा कर सकते हैं, शायद पौधे को संक्रमण से लड़ने या अन्य प्रकार के तनाव को प्रबंधित करने में मदद करते हैं, लेकिन लंबी हीटवेव के विशिष्ट दबाव में, वे एक देन बन जाते हैं। अध्ययन ने यह भी देखा कि क्या पौधों की गर्मी में जीवित रहने की क्षमता उनके गृह क्षेत्रों के जलवायु से जुड़ी थी। आश्चर्यजनक रूप से, उन्हें अपने संग्रह के स्थानों के स्थानीय मौसम और उनकी गर्मी सहने की क्षमता के बीच कोई स्पष्ट संबंध नहीं मिला, जो यह सुझाव देता है कि यह गुण जटिल है और सरल स्थानीय अनुकूलन से परे कई कारकों से प्रभावित है।
यह कार्य इस बात का एक स्पष्ट उदाहरण प्रदान करता है कि कैसे जीनों का एक विशिष्ट समूह चरम मौसम के दौरान पौधे के भाग्य को नियंत्रित कर सकता है। पराग उत्तरजीविता के नकारात्मक नियामक के रूप में आईएएन जीनों की पहचान करके, यह अध्ययन भविष्य के प्रजनन प्रयासों के लिए एक नया लक्ष्य प्रदान करता है। यदि वैज्ञानिक सीख सकें कि फसल के पौधों में इन जीनों की गतिविधि को कैसे कम किया जाए, तो वे ऐसी किस्में विकसित कर सकते हैं जो गर्मियों के तापमान के खतरनाक रूप से बढ़ने पर भी बीज पैदा करना जारी रख सकें। यह शोध कृषि के लिए जलवायु परिवर्तन की समस्या को हल करने का दावा नहीं करता है, लेकिन इसने एक विशिष्ट आनुवंशिक तंत्र पर प्रकाश डाला है जो पहले छिपा हुआ था। यह दर्शाता है कि एक छोटे से खरपतवार में भी, डीएनए की प्राकृतिक विविधता में लचीलेपन के सुराग छिपे हैं जो एक दिन गर्म होती दुनिया के लिए खाद्य आपूर्ति को सुरक्षित करने में मदद कर सकते हैं।
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