क्यों व कैसे होता है, पौधों का डी एन ए अनुक्रमण ?

लखनऊ के नागरिक जानते ही होंगे कि, डी एन ए(DNA), पौधों सहित सभी जीवों के शरीर के लिए निर्देश पुस्तिका है। डीएनए अनुक्रमण एक शक्तिशाली उपकरण है, जो वैज्ञानिकों को इन निर्देशों को पढ़ने और यह समझने में मदद करता है कि, पौधे कैसे बढ़ते हैं, अनुकूलन करते हैं और जीवित रहते हैं। पौधों के डी एन ए का अध्ययन करके, शोधकर्ता फ़सलों को बेहतर बनाने, उन्हें बीमारियों के प्रति अधिक प्रतिरोधी बनाने और लुप्त होने के खतरे में, पौधों की प्रजातियों की रक्षा करने के तरीके ढूंढ सकते हैं। लखनऊ जैसी जगहों पर, डीएनए अनुक्रमण कृषि में सुधार और स्थानीय पौधों के जीवन को संरक्षित करने, दोनों बातों में महत्वपूर्ण भूमिका निभा रहा है। आज हम चर्चा करेंगे कि, पौधों में कैसा डीएनए होता है और यह उनके लिए क्यों महत्वपूर्ण है। फिर, हम पौधों में डीएनए की संरचना को देखेंगे। उसके बाद, हम पौधों में डी एन ए अनुक्रमण तकनीक का पता लगाएंगे। अंत में, हम पादप डीएनए अनुक्रमण के विभिन्न उपयोगों के बारे में बात करेंगे।

क्या पादप कोशिकाओं में डीएनए होता है?

सभी जीवित जीवों की तरह, पौधों की कोशिकाओं में भी डीएनए होता है। डी एन ए या डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक एसिड (Deoxyribonucleic acid), एक जटिल अणु है, जो सभी जीवित जीवों के लिए आनुवंशिक निर्देश पुस्तिका के रूप में कार्य करता है। इसमें वह कोड(Code) होता है, जो किसी जीव के भौतिक स्वरूप से लेकर, उसके जैविक कार्यों के गुणों को निर्धारित करता है।

डी एन ए, पादप कोशिका के नियंत्रण केंद्र – नाभिक के भीतर पाया जाता है। इसमें यह कसकर भरी हुई संरचनाओं में व्यवस्थित होता है, जिन्हें  क्रोमोज़ोम (Chromosomes) कहा जाता है। ये गुणसूत्र एक–एक जोड़े में व्यवस्थित होते हैं, जिनमें से एक सेट मादा पौधे से और दूसरा नर पौधे से विरासत में मिला है।

पादप जीवविज्ञान में डीएनए का महत्व-

कृषि और जैव प्रौद्योगिकी में प्रगति के लिए, पौधों के डी एन ए की संरचना और कार्य को समझना महत्वपूर्ण है।

आनुवंशिक संशोधन: पौधों के डी एन ए में हेरफ़ेर  करके, वैज्ञानिक बेहतर उपज, रोग प्रतिरोधक क्षमता और पोषण सामग्री वाली फ़सलें विकसित कर सकते हैं।

पौधों का प्रजनन: शोधकर्ता पौधों में लाभकारी लक्षणों की पहचान करने के लिए, डीएनए जानकारी का उपयोग कर सकते हैं और प्रजनन कार्यक्रमों के दौरान उन लक्षणों का चयन कर सकते हैं, जिससे स्वस्थ और अधिक उत्पादक फ़सलें प्राप्त हो सकती हैं।

पौधों में डी एन ए की संरचना-

डी एन ए, अणु की वास्तविक संरचना और प्रोटीन के लिए कोड करने का इनका तरीका, बैक्टीरिया से लेकर यीस्ट और पौधों एवं जानवरों तक एक समान है। पौधों, मनुष्यों और सभी जीवित जीवों में डीएनए अणु एक ही आकार के होते हैं – जैसे कि, एक मुड़ी हुई सीढ़ी, या एक डबल हेलिक्स(Double helix)। इस डबल हेलिक्स की रीढ़, शुगर(Sugar) और फ़ॉसफ़ेट(Phosphate) अणुओं से बनी होती है।

इस डबल हेलिक्स का प्रत्येक छड़ दो आधारों से बना होता है, जो एक–एक रीढ़ से निकले होते हैं और बीच में जुड़ जाते हैं। यह एक आधार जोड़ी है, जिनमें अक्षर – A, T, G और C आधार के नामों का प्रतिनिधित्व करते हैं। जब यह डबल हेलिक्स  मुड़ जाता है, तो इससे डी एन ए अणु बनता है। 

डी एन ए को सभी जीवों में समान तरीके से प्रोटीन बनाने के लिए मोड़ा जाता है, संग्रहित किया जाता है, कॉपी किया जाता है और ब्लूप्रिंट(Blueprint) के रूप में उपयोग किया जाता है। फिर भी, जीव भिन्न हैं। क्योंकि, ये अंतर A, T, G और C के क्रम और उन प्रोटीनों से आते हैं, जिनके लिए वे कोड करते हैं। इन प्रोटीनों के बनने का समय और स्थान, गुणसूत्रों और जीनों की संख्या, आदि भी भिन्न होती है।

पौधों में डीएनए अनुक्रमण प्रौद्योगिकी-

डी एन ए पृथक्रकरण-

पौधों के जीनोम(Genome) के अनुक्रमण के लिए, प्रारंभिक चरण, अनुक्रम के लिए डी एन ए का एक नमूना प्राप्त करना है। अनुक्रमण के लिए उपयुक्त गुणवत्ता का डीएनए नमूना प्राप्त करने की आसानी, प्रजातियों के बीच बहुत भिन्न होती है। पौधों में कई माध्यमिक मेटाबोलाइट्स(Metabolites), प्रोटीन और पॉलीसेकेराइड(Polysaccharides) होते हैं, जो डी एन ए निष्कर्षण में हस्तक्षेप कर सकते हैं और दूषित पदार्थों का स्रोत बन सकते हैं। ये अक्सर ही, डी एन ए निष्कर्षण की दक्षता को कम कर देते हैं। वर्तमान प्रौद्योगिकियों के लिए न्यूनतम मात्रा में डीएनए की आवश्यकता होती है और कुशल अनुक्रमण और बड़ी मात्रा में डेटा उत्पन्न करने की सुविधा के लिए डी एन ए, शुद्ध होना चाहिए। लंबे समय तक पढ़े जाने वाले अनुक्रमण के लिए आवश्यक डीएनए की मात्रा, कम पढ़े जाने वाले अनुक्रमण के लिए आवश्यक डी एन ए की मात्रा से अधिक रही है।

लंबे समय तक पढ़े जाने वाले अनुक्रम-

बड़ी संख्या में दोहराए जाने वाले अनुक्रमों के साथ, पादप जीनोम का संयोजन केवल संक्षिप्त पठन अनुक्रमों के साथ संभव नहीं है। इसलिए, ऐसी तकनीक जो बहुत लंबे अनुक्रमों को उत्पन्न करने की अनुमति देती है, जीनोम असेंबली(Genome assembly) को सरल बनाने में महत्वपूर्ण रही है। यह प्रौद्योगिकी पहली बार पेश किए जाने के बाद से, इन अनुक्रमों की लंबाई और उनकी सटीकता में काफ़ी सुधार हुआ है।

लघु पठन अनुक्रम-

भविष्य की अनुक्रमण प्रौद्योगिकियों के पहले सेट ने, छोटे डी एन ए अनुक्रमों की बड़ी मात्रा प्रदान की है। इन छोटे अनुक्रमों की सटीकता और डेटा की मात्रा में, नाटकीय रूप से वृद्धि हुई है। इन अनुक्रमों की लंबाई लगभग 30 बी पी(आधार जोड़) से शुरू हुई और तेज़ी से 100-150 बीपी तक बढ़ गई है। युग्मित-अंत अनुक्रमण ने, इस तकनीक को लगभग 400 बीपी के अनुक्रमों के उत्पादन की अनुमति देने के लिए विस्तारित किया है, लेकिन, अधिकांश एप्लिकेशन वर्तमान में लगभग 150 बीपी के अनुक्रम प्रदान करते हैं। इलुमिना अनुक्रमण प्लेटफ़ॉर्म(Illumina sequencing platform) लघु पठन अनुक्रमण के लिए उपयोग की जाने वाली, प्रमुख तकनीक है। यह तकनीक बहुत बड़ी संख्या में समानांतर प्रतिक्रियाओं में, संश्लेषण द्वारा अनुक्रमण करती है। डी   की प्रतिलिपि बनाते समय, न्यूक्लियोटाइड(Nucleotides) के समावेश की निगरानी की जाती है। अन्य तकनीकों को नई प्रौद्योगिकियों द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है, क्योंकि वे आम तौर पर, कम सटीकता या डेटा की पेशकश करते हैं। इसके परिणामस्वरूप, अपेक्षाकृत अधिक लागत आती है। 

एक तरफ़, आयन टोरेंट अनुक्रमण(Ion Torrent sequencing) का उपयोग, बड़ी संख्या में छोटे अनुक्रमों के अनुक्रम के, तेज़ी से निर्धारण के लिए किया जाता है, जैसे कि – एम्प्लिकॉन अनुक्रमण(Amplicon sequencing) और 16 एस मेटागेनोमिक अनुक्रमण(Metagenomic sequencing)। पौधों में, इसका उपयोग, क्लोरोप्लास्ट अनुक्रमण(Chloroplast sequencing) के लिए किया गया है।

 अंगक जीनोम अनुक्रमण(Organelle Genome Sequencing)-

पादप कोशिकाओं में आमतौर पर एक ही नाभिक और कई  अंगक (organelle), संभवतः सैकड़ों माइटोकॉन्ड्रिया(Mitochondria) और हज़ारों क्लोरोप्लास्ट होते हैं। इन जीनोमों के बीच, जीन स्थानांतरण के कारण ऑर्गेनेल जीनोम का अनुक्रमण जटिल है। नाभिक जीनोम में, अक्सर  अंगक जीनोम के बड़े और छोटे अनुक्रमों के कई सम्मिलन होते हैं। कई शुरुआती तरीकों को नाभिक जीनोम में डाली गई प्रतियों से, ऑर्गेनेल जीन अनुक्रमों को अलग करने के लिए, जटिलताओं का सामना करना पड़ा क्योंकि, वे पी सी आर प्रवर्धन(PCR amplification) या ऑर्गेनेल पृथक्करण पर निर्भर थे। नाभिक सम्मिलन, ऑर्गेनेल जीनोम के संस्करणों का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं, जिन्हें अतीत में स्थानांतरित किया गया था, और जो सम्मिलन के बाद से अलग हो गए हैं।

पादप डी एन ए अनुक्रमण के अनुप्रयोग-

•मॉडल जीनोम-

प्रारंभिक प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके, पौधों के जीनोम को अनुक्रमित करने की चुनौती ने, मॉडल जीनोम के अनुक्रमण पर ध्यान केंद्रित करना आवश्यक बना दिया। इसका उपयोग, संबंधित लेकिन अधिक जटिल, प्रजातियों का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है। अनुक्रमित जीनोम वाला पहला पौधा, अरेबिडोप्सिस थालियाना(Arabidopsis thaliana) था। इसे इसलिए चुना गया था क्योंकि, यह तेज़ी बढ़ता है और बहुत छोटे जीनोम वाला, एक छोटा पौधा है। इससे यह अनुसंधान उपयोग के लिए, एक आदर्श मॉडल पौधा बन जाता है। अनुक्रमित जीनोम वाला पहला फ़सल पौधा चावल (ओरिज़ा सैटिवा – Oryza sativa) था। इसे इसलिए चुना गया था क्योंकि, यह अपेक्षाकृत छोटे जीनोम वाला एक प्रमुख खाद्य फ़सल पौधा है। इसलिए, यह अनाज और घास जीनोम के लिए एक मॉडल बन गया। 

इसी तरह, ब्रैचिपोडियम डिस्टैचियन(Brachypodium distachyon) को एक मॉडल घास जीनोम के रूप में अनुक्रमित किया गया था, जो विशेष रूप से गेहूं जीनोम के लिए प्रासंगिक है। जीनोम अनुक्रमण तकनीक में, हालिया प्रगति ने ऐसे मॉडल की आवश्यकता को काफ़ी कम कर दिया है क्योंकि, अब अधिकांश प्रजातियों को आसानी से अनुक्रमित करना संभव है।

•फ़सल पादप जीनोम-

फ़सल प्रजातियों के जीनोम का अनुक्रमण, पौधों के सुधार के लिए एक महत्वपूर्ण सक्षम उपकरण बन गया है। अधिकांश प्रमुख फ़सलों में अब संदर्भ जीनोम अनुक्रम होते हैं और जैसे-जैसे तकनीक अधिक शक्तिशाली होती जाती है, और लागत कम होती जाती है, कई अन्य छोटी फ़सलों के लिए भी जीनोम उत्पन्न किए जा रहे हैं। इसमें आम तौर पर, एक प्रजाति के लिए एक संदर्भ जीनोम अनुक्रम का उत्पादन और उस प्रजाति के भीतर विभिन्नताओं को परिभाषित करने के लिए, कई पौधों का पुन: अनुक्रमण शामिल है। वर्तमान प्रयास मानते हैं कि, एक एकल संदर्भ जीनोम, हमेशा पादप प्रजनकों की जरूरतों को पूरा नहीं कर सकता है। इसलिए, जीन पूल(Gene pool) के भीतर कई विविध जीनोमों में, भिन्नता को परखने वाले पैन-जीनोम को प्रजनन प्लेटफ़ॉर्मों के रूप में उत्पादित किया जा रहा है।

•अनुक्रमण संयंत्र जैव विविधता-

कई विविध पौधों के जीनोम को अब प्रमुख समूहों, विशेषकर फूलों वाले पौधों के बढ़ते कवरेज के साथ, अनुक्रमित किया गया है। पौधों के अनुक्रम का कवरेज अधिक है, और कई पौधों के परिवारों के जीनोम अब रिपोर्ट किए गए हैं। हालांकि, अधिकांश पादप समूहों के लिए, जीनस स्तर पर कवरेज अभी भी बहुत कम है। पादप जीनोम अनुक्रम प्राप्त करने के व्यवस्थित प्रयासों में, प्रत्येक पादप परिवार के एक सदस्य को अनुक्रमित करने के लिए, ऊपर से नीचे का दृष्टिकोण अपनाया जा सकता है। फिर, प्रत्येक जीनस और अंत में, प्रत्येक प्रजाति संसाधन के रूप में उपलब्ध हो जाएगी। अंततः, प्रत्येक प्रजाति के भीतर विविधता का पुन: अनुक्रमण मूल्यवान है। 

•दुर्लभ और संकटग्रस्त प्रजातियों का अनुक्रमण-

अब, डी एन ए के मूल स्थान और अलग स्थान में, संरक्षण में सहायता के लिए एक उपकरण के रूप में, पौधों की दुर्लभ और खतरे वाली प्रजातियों को अनुक्रमित करने के लिए, लक्षित प्रयास किए जा रहे हैं। यह गंभीर रूप से लुप्तप्राय प्रजातियों के बीच अधिक जरूरी है, जिसके लिए जीनोम अनुक्रम ही, वह सब कुछ हो सकता है, जिसे हम बनाए रख सकते हैं। क्योंकि, कुछ प्रजातियां विलुप्त होने के कगार पर हैं। जैव विविधता को अनुक्रमित करने के प्रयास, अक्सर सर्वोच्च प्राथमिकता के रूप में दुर्लभ प्रजातियों पर ध्यान केंद्रित करते हैं।

गंभीर रूप से लुप्तप्राय जंगली फ़सल – मैकाडामिया जानसेनी(Macadamia jansenii) का उपयोग, पौधों के जीनोम अनुक्रमण और संयोजन विधियों की तुलना करने के लिए किया गया है। इसने एक सामान्य नमूने का उपयोग करके, जीनोम असेंबली के लिए अनुक्रमण प्लेटफ़ॉर्मों और जैव सूचना विज्ञान उपकरणों की तुलना करने की अनुमति दी है। एक पौधे के लिए, गुणसूत्र-स्तरीय जीनोम अनुक्रम की पीढ़ी में – एक डी एन ए नमूना तैयार करना, उस डीएनए का अनुक्रमण व अनुक्रम की असेंबली शामिल है।

संदर्भ 

https://tinyurl.com/yuccspjm

https://tinyurl.com/4tefvcsx

https://tinyurl.com/y6eprw84

https://tinyurl.com/y6eprw84

मुख्य चित्र: पादप डी एन ए (pexels)