Identification of QTNs, QTN-by-Environment Interactions, and Their Candidate Genes for Rice Grain-Related Traits across Years using 3VmrMLM

चावल दुनिया की आधी से अधिक आबादी के लिए मुख्य आहार है, और किसानों और प्रजनकों (breeders) के लिए, एक एकल दाने का आकार और रूप अत्यंत महत्वपूर्ण होता है। ये भौतिक गुण न केवल यह निर्धारित करते हैं कि एक पौधे से कितना भोजन उत्पादित हो सकता है, बल्कि अंतिम उत्पाद की गुणवत्ता भी तय करते हैं। चावल के दाने का आकार एक जटिल पहेली है, जो पौधे के आनुवंशिक कोड और उस वातावरण के बीच एक नाजुक अंतर्संबंध से निर्मित होता है जिसमें वह उगता है। हालांकि वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि विशिष्ट जीन 'स्विच' के रूप में कार्य करते हैं जो यह नियंत्रित करते हैं कि दाना लंबा और पतला बनेगा या छोटा और गोल, लेकिन पूरी तस्वीर अभी भी अधूरी है। कुछ आनुवंशिक निर्देश मौसम की परवाह किए बिना विश्वसनीय रूप से काम करते हैं, जबकि अन्य साल, तापमान या वर्षा के आधार पर अपना व्यवहार बदलते हुए प्रतीत होते हैं। यह समझना कि कौन से जीन स्थिर हैं और कौन से पर्यावरण के प्रति संवेदनशील हैं, बदलती जलवायु परिस्थितियों में बढ़ती दुनिया का पेट भरने के लिए चावल की नई किस्में विकसित करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, दक्षिण चीन कृषि विश्वविद्यालय और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं के एक दल ने चावल के पौधों के एक विशाल संग्रह की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने 53 देशों के विविध मूलों का प्रतिनिधित्व करने वाले 413 अलग-अलग चावल की किस्मों के बीजों को एकत्र किया। इन पौधों को ग्वांगझू, चीन में एक धान के खेत में कई वर्षों तक, विशेष रूप से 2014, 2016 और 2018 में उगाया गया था। चूंकि मौसम की स्थितियां स्वाभाविक रूप से एक वर्ष से दूसरे वर्ष में भिन्न होती हैं, इसलिए प्रत्येक बढ़ता मौसम एक विशिष्ट वातावरण के रूप में कार्य करता था, जिससे वैज्ञानिकों को यह देखने का अवसर मिला कि एक ही आनुवंशिक संरचना विभिन्न वास्तविक दुनिया की स्थितियों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है। टीम ने प्रत्येक पौधे के लिए चार प्रमुख गुणों का सूक्ष्मता से मापन किया: दाने की लंबाई, इसकी चौड़ाई, लंबाई और चौड़ाई का अनुपात, और एक हजार दानों का वजन। फिर उन्होंने इन पौधों के संपूर्ण आनुवंशिक कोड को स्कैन करने के लिए एक शक्तिशाली सांख्यिकीय दृष्टिकोण का उपयोग किया, ताकि डीएनए में उन सूक्ष्म विविधताओं को खोजा जा सके जो दाने के आकार के अंतर से संबंधित थीं।

शोधकर्ताओं ने एक परिष्कृत पद्धति का उपयोग किया जिसे एक-एक करके परीक्षण करने के बजाय एक साथ कई आनुवंशिक संकेतों का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया था। इस दृष्टिकोण ने उन्हें चावल के जीनोम में उन सैकड़ों विशिष्ट स्थानों की पहचान करने की अनुमति दी जो दाने के आकार और वजन को प्रभावित करते हैं। कुल मिलाकर, उन्होंने इन गुणों से जुड़े 407 विशिष्ट आनुवंशिक मार्करों (genetic markers) को पाया। इनमें से अधिकांश का अपने आप में बहुत कम प्रभाव था, जो इस बात की पुष्टि करता है कि दाने का आकार बड़ी संख्या में मिलकर काम करने वाले जीनों द्वारा नियंत्रित होता है। हालांकि, अध्ययन ने 116 ऐसे मार्करों के एक समूह का भी खुलासा किया जो विभिन्न वर्षों और विश्लेणात्मक विधियों में लगातार दिखाई दिए, जो यह सुझाव देते हैं कि ये दाने के आकार को नियंत्रित करने के लिए सबसे विश्वसनीय आनुवंशिक लीवर हैं। टीम ने अपने निष्कर्षों को सत्यापित करने के लिए यह जांचा कि क्या ये मार्कर उन जीनों के पास थे जो पहले से ही चावल को प्रभावित करने के लिए जाने जाते थे, जैसे कि GS3 और GW5। उन्होंने पाया कि कई ज्ञात जीन वास्तव में उनके द्वारा खोजे गए मार्करों के ठीक बगल में स्थित थे, जिसने उन्हें विश्वास दिलाया कि उनकी पद्धति सही ढंग से काम कर रही थी।

स्थिर आनुवंशिक मार्करों को खोजने के अलावा, अध्ययन ने यह भी खोजने का प्रयास किया कि पर्यावरण इन जीनों के प्रभाव को कैसे बदलता है। शोधकर्ताओं ने उन उदाहरणों की तलाश की जहां एक विशिष्ट आनुवंशिक स्थान ने एक वर्ष में दाने के आकार को प्रभावित किया लेकिन दूसरे वर्ष में नहीं, या जहां स्थितियां बदलने पर प्रभाव बदल गया। उन्होंने ऐसे दस उदाहरणों की पहचान की, जिन्हें जीन-बाय-एनवायरनमेंट (gene-by-environment) इंटरेक्शन कहा जाता है, जो मुख्य रूप से दाने की लंबाई, चौड़ाई और लंबाई-से-चौड़ाई के अनुपात को प्रभावित करते हैं। दिलचस्प बात यह है कि उन्होंने दानों के वजन के लिए कोई महत्वपूर्ण इंटरेक्शन नहीं पाया, जो यह सुझाव देता है कि जबकि दाने का आकार मौसम के बदलावों के प्रति संवेदनशील है, इसका वजन अधिक आनुवंशिक रूप से स्थिर है। सबसे दिलचस्प खोजों में से एक PHYA नामक जीन था, जो इस बात में शामिल है कि पौधे प्रकाश को कैसे महसूस करते हैं। इस जीन ने एक मजबूत इंटरेक्शन दिखाया, जिसका अर्थ है कि इसका दाने की चौड़ाई पर प्रभाव साल दर साल काफी बदल गया। यह सुझाव देता है कि जिस तरह से चावल के पौधे प्रकाश को महसूस करते हैं और मौसमी परिवर्तनों के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं, वह दाने के अंतिम आकार को निर्धारित करने में सीधी भूमिका निभाता है।

सांख्यिकीय संकेतों से वास्तविक जैविक समझ की ओर बढ़ने के लिए, टीम ने अपनी सूची को कुछ आशाजनक उम्मीदवार जीनों तक सीमित कर दिया। उन्होंने आनुवंशिक स्थानों को उस डेटा के साथ क्रॉस-रेफरेंस किया जिसमें दाने के विकास के शुरुआती चरणों के दौरान कौन से जीन सक्रिय थे, और चावल के संग्रह में पाए गए इन जीनों के विभिन्न संस्करणों (haplotypes) का परीक्षण किया। इस प्रक्रिया ने चौदह नए जीनों को उजागर किया जिन्हें पहले दाने के आकार से नहीं जोड़ा गया था। इनमें से, तीन जीन विशेष रूप से मजबूत उम्मीदवारों के रूप में उभरे। एक जीन, OsFKII/FRKFR2, इस प्रक्रिया में शामिल है कि पौधा कैसे शर्करा को संसाधित करता है और स्टार्च को संग्रहीत करता है, जो दाने को भरने के लिए आवश्यक प्रक्रिया है। दूसरा, OsPCF5, एक प्रकार का प्रोटीन है जो पौधे के विकास और वृद्धि को नियंत्रित करने में मदद करता है। तीसरा, OsSWN3/OsNAC31, कोशिका भित्ति (cell walls) के निर्माण से जुड़ा है जो दाने को उसकी संरचना प्रदान करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन जीनों के विभिन्न संस्करणों का मापने योग्य अंतर से संबंध था, जो डीएनए अनुक्रम और भौतिक गुण के बीच एक स्पष्ट कड़ी प्रदान करता है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि कई जीन चावल के दाने के आकार में योगदान देते हैं, कुछ मजबूत और विश्वसनीय होते हैं, जबकि अन्य लचीले होते हैं और पर्यावरणीय बदलावों के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं। स्थिर आनुवंशिक कारकों और पर्यावरणीय बदलावों के साथ बदलने वाले कारकों दोनों की पहचान करके, शोधकर्ताओं ने प्रजनकों के लिए एक मूल्यवान मानचित्र प्रदान किया है। ये निष्कर्ष ऐसी चावल की किस्में विकसित करने के लिए नए लक्ष्य प्रदान करते हैं जो बढ़ते मौसम के गर्म, ठंडे, गीले या सूखे होने के बावजूद उच्च उपज और गुणवत्ता बनाए रख सकें। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने चावल के आनुवंशिकी की पूरी पहेली को सुलझा लिया है, लेकिन इसने सफलतापूर्वक विश्वसनीय आनुवंशिक निर्देशों को पर्यावरणीय शोर (noise) से अलग कर दिया है, जिससे भविष्य का पेट भरने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग प्रशस्त हुआ है।