Chromosome-scale reference genome of Finger corn, an eight-rowed maize landrace retaining primitive traits
यह अध्ययन PacBio Fiber-seq और Hi-C डेटा को एकीकृत करते हुए युन्नान मक्का लैंडरेस "फिंगर कॉर्न" के लिए एक उच्च-गुणवत्ता वाला, गुणसूत्र-स्तर का संदर्भ जीनोम प्रस्तुत करता है ताकि व्यापक जीनोमिक, एपिजेनोमिक और 3D क्रोमैटिन संसाधन प्रदान किए जा सकें जो मक्का के पालतू बनाने (डोमेस्टिकेशन), जीनोम विनियमन और कृषि संबंधी लक्षणों की भिन्नता में अनुसंधान को सुगम बनाते हैं।
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मक्का दुनिया की सबसे महत्वपूर्ण फसलों में से एक है, एक मुख्य आहार जो अरबों लोगों का पेट भरता है और वैश्विक कृषि को गति देता है। सदियों से, किसानों और वैज्ञानिकों ने इसे बेहतर बनाने के लिए काम किया है, ऐसे पौधों का चयन किया है जो अधिक अनाज पैदा करते हैं और अधिक विश्वसनीय रूप से बढ़ते हैं। इस सुधार की एक प्रमुख विशेषता भुट्टे पर दानों की पंक्तियों की संख्या है। मक्का के जंगली पूर्वजों, जिन्हें टीओसिनटे (teosinte) के रूप में जाना जाता है, में आमतौर पर दानों की केवल दो से चार पंक्तियाँ होती थीं। हजारों वर्षों के मानव चयन के माध्यम से, आधुनिक मक्का की किस्में अब अक्सर सोलह या अधिक पंक्तियों वाली होती हैं, एक ऐसा परिवर्तन जिसने नाटकीय रूप से बढ़ा दिया कि एक अकेला पौधा कितना भोजन पैदा कर सकता है। हालांकि, इस गुण को कैसे नियंत्रित किया जाता है, इस पर अधिकांश वैज्ञानिक अध्ययन इन आधुनिक, अत्यधिक विकसित किस्मों पर केंद्रित रहे हैं। यह हमारे विकासवादी सफर की समझ में एक कमी छोड़ देता है, क्योंकि पुराने, कम संशोधित लैंड्रेस (landraces) के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट अभी भी काफी हद तक अनछुए हैं।
एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने 'फिंगर कॉर्न' (Finger corn) नामक मक्का की एक अनूठी किस्म का विस्तृत, उच्च-रिज़ॉल्यूशन जीनोम मैप बनाकर इस अंतर को भरा है। चीन के दक्षिण-पश्चिमी भाग में स्थित युन्नान प्रांत में पाया जाने वाला यह लैंड्रेस अतीत का एक जीवित अवशेष है। आधुनिक मक्का के विपरीत, जिसमें आमतौर पर एक मुख्य तना होता है, फिंगर कॉर्न कई तनों के साथ शाखाओं में विभाजित हो जाता है, जो कि इसके जंगली पूर्वजों की एक विशिष्ट विशेषता है। यह दानों की आठ स्थिर पंक्तियों वाला भुट्टा भी पैदा करता है, जो कि जंगली टीओसिनटे की कुछ पंक्तियों और आधुनिक हाइब्रिड की कई पंक्तियों के बीच का एक अंक है। चूंकि इसे आधुनिक कृषि के तीव्र प्रजनन दबावों का सामना नहीं करना पड़ा है, इसलिए इसका जेनेटिक कोड मक्का के घरेलूकरण के शुरुआती चरणों और उन प्राकृतिक विविधताओं के सुराग दे सकता है जिन्हें ब्रीडर्स ने अनदेखा कर दिया होगा।
इन सुरागों को समझने के लिए, सन यत-सेन विश्वविद्यालय की टीम ने फिंगर कॉर्न के लिए एक पूर्ण, क्रोमोसोम-स्केल संदर्भ जीनोम (reference genome) बनाने का लक्ष्य रखा। जीनोम अनिवार्य रूप से किसी जीव के निर्माण के लिए निर्देशों का पूरा सेट है, और मक्का जैसे जटिल पौधों के लिए, ये निर्देश विशाल होते हैं और दोहराव वाले अनुक्रमों (repetitive sequences) से भरे होते हैं जो उन्हें पढ़ना कठिन बना देते हैं। शोधकर्ताओं ने इन निर्देशों को जोड़ने के लिए उन्नत अनुक्रमण तकनीक (sequencing technology) का उपयोग किया। उन्होंने पौधों से युवा पत्तियां एकत्र कीं और 'पैबैक फाइबर-सीक' (PacBio Fiber-seq) नामक एक विधि का उपयोग किया, जो एक ही बार में डीएनए के बहुत लंबे धागों को पढ़ सकती है। इस दृष्टिकोण ने उन्हें उन दोहराव वाले अनुभागों के पार देखने की अनुमति दी जो अक्सर अन्य अनुक्रमण विधियों को भ्रमित कर देते हैं। उन्होंने इसे 'एचआई-सी' (Hi-C) नामक एक अन्य तकनीक के साथ जोड़ा, जो यह कैप्चर करती है कि कोशिका केंद्रक के भीतर डीएनए कैसे मुड़ता है और परस्पर क्रिया करता है, जिससे लंबे डीएनए धागों को उनके सही स्थानों पर क्रोमोसोम पर व्यवस्थित करने में मदद मिलती है।
परिणामस्वरूप, फdingर कॉर्न जीनोम का एक अत्यधिक सटीक और निरंतर मानचित्र प्राप्त हुआ है, जो 2.21 गीगाबेस तक फैला है। इस मानचित्र की गुणवत्ता असाधारण है; निरंतर डीएनए खंडों की औसत लंबाई 50 मेगाबेस से अधिक है, और यह मानचित्र पौधों में पाए जाने वाले लगभग सभी अपेक्षित जीनों को कैप्चर करता है। शोधकर्ताओं ने 39,413 प्रोटीन-कोडिंग जीन की पहचान की, जो वे डीएनए खंड हैं जो पौधे के निर्माण और संचालन के लिए प्रोटीन बनाने के निर्देश प्रदान करते हैं। उन्होंने यह भी पाया कि जीनोम का एक बड़ा हिस्सा, लगभग 87 प्रतिशत, दोहराव वाले तत्वों (repetitive elements) से बना है। ये वे अनुक्रम हैं जो पूरे जीनोम में खुद को कॉपी और पेस्ट करते हैं, और हालांकि वे प्रोटीन को कोड नहीं करते हैं, वे जीनोम की संरचना और नियमन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
केवल जीनों को सूचीबद्ध करने के अलावा, अध्ययन ने इस बात की भी खोज की कि जीनोम कैसे व्यवस्थित और नियंत्रित होता है। शोधकर्ताओं ने मानचित्रित किया कि डीएनए के कौन से हिस्से "खुले" और सुलभ हैं, जिसका अर्थ है कि कोशिकीय मशीनरी उन्हें जीन को चालू या बंद करने के लिए आसानी से पढ़ सकती है। उन्होंने 238,000 से अधिक ऐसे सुलभ क्षेत्रों की पहचान की। दिलचस्प बात यह है कि अधिकांश खुले क्षेत्र स्वयं जीनों से दूर, उनके बीच के विशाल डीएनए क्षेत्रों में स्थित हैं, जो यह सुझाव देते हैं कि मक्का के गुणों का नियंत्रण अक्सर दूरी पर होता है। उन्होंने डीएनए की त्रि-आयामी संरचना का भी मानचित्रण किया, जो यह दिखाता है कि यह विशिष्ट क्षेत्रों में कैसे मुड़ता है। कुछ क्षेत्र सक्रिय और खुले हैं, जहाँ जीन अक्सर चालू होते हैं, जबकि अन्य कसकर पैक और शांत होते हैं। अध्ययन ने पुष्टि की कि मक्का के भुट्टे के विकास में शामिल जीन मुख्य रूप से इन सक्रिय, खुले क्षेत्रों में पाए जाते हैं।
यह कार्य मक्का के विकास और प्रजनन का अध्ययन करने वाले वैज्ञानिकों के लिए एक शक्तिशाली नया संसाधन प्रदान करता है। एक ऐसे लैंड्रेस का पूर्ण और सटीक मानचित्र होने से, जिसके पास आदिम लक्षण मौजूद हैं, शोधकर्ता अब सीधे आधुनिक किस्मों के साथ तुलना कर सकते हैं ताकि यह सटीक रूप से पता लगाया जा सके कि किन आनुवंशिक परिवर्तनों के कारण दानों की पंक्तियों में नाटकीय वृद्धि हुई। डेटा एपिजेनेटिक परिदृश्य (epigenetic landscape) को भी प्रकट करता है—वे रासायनिक टैग जो डीएनए के ऊपर स्थित होते हैं और आनुवंशिक कोड को बदले बिना जीन की अभिव्यक्ति को प्रभावित करते हैं। जीनोम का यह व्यापक दृश्य, अक्षरों के अनुक्रम से लेकर डीएनए के मुड़ने और रासायनिक रूप से संशोधित होने के तरीके तक, इस बात की गहरी समझ प्रदान करता है कि मक्का कैसे बढ़ता है और अनुकूलित होता है। यह भविष्य की फसलों को बेहतर बनाने में मदद करने वाले लक्षणों के लिए इस अद्वितीय आनुवंशिक संसाधन के खनन के द्वार खोलता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि अतीत के सबक खो न जाएं बल्कि भविष्य की खाद्य आपूर्ति को सुरक्षित करने के लिए उनका उपयोग किया जाए।
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