തുവര 'ആശ': ഇന്ത്യയുടെ ആദ്യ വിടവില്ലാത്ത റഫറൻസ് ജീനോം

Why in news?

ഇന്ത്യൻ ശാസ്ത്രജ്ഞർ ആശാ എന്ന തുവരപ്പയർ (pigeonpea) ഇനത്തിനായുള്ള ഒരു ടെലോമിയർ-ടു-ടെലോമിയർ റഫറൻസ് ജീനോം പൂർത്തിയാക്കി. ബുദ്ധിമുട്ടുള്ള ആവർത്തിച്ചുള്ള പ്രദേശങ്ങളും രണ്ട് ക്രോമസോം അറ്റങ്ങളും ഈ അസംബ്ലി ഉൾക്കൊള്ളുന്നു. ഈ വിളയ്‌ക്കായുള്ള ഇന്ത്യയുടെ ആദ്യത്തെ പൂർണ്ണമായി വ്യാഖ്യാനിച്ച (annotated) ഗ്യാപ്‌ലെസ് റഫറൻസാണിത്. ഈ വിഭവം ബ്രീഡിംഗ് ഗവേഷണത്തെ പിന്തുണയ്ക്കുന്നു, എന്നാൽ പുതിയൊരു ഇനം സൃഷ്ടിക്കുന്നില്ല.

Background

തുവരപ്പയർ അല്ലെങ്കിൽ അർഹർ എന്ന് പരക്കെ അറിയപ്പെടുന്ന പ്രോട്ടീൻ സമ്പുഷ്ടമായ പയർവർഗ്ഗമാണ് പിജിയോൺപീ. ഇതിൻ്റെ ശാസ്ത്രീയ നാമം കജാനസ് കജാൻ (Cajanus cajan) എന്നാണ്, ഇത് ഫാബേസി (Fabaceae) കുടുംബത്തിൽ പെടുന്നു; ഉഷ്ണമേഖലാ, മിതോഷ്ണമേഖലാ പ്രദേശങ്ങളിലാണ് കർഷകർ ഇത് കൃഷി ചെയ്യുന്നത്.

വിള പല മഴയെ ആശ്രയിച്ചുള്ളതും അർദ്ധ-വരണ്ടതുമായ കാർഷിക വ്യവസ്ഥകൾക്ക് അനുയോജ്യമാണ്; ആഴം കുറഞ്ഞ വേരുകളുള്ള വിളകൾക്ക് ലഭ്യമല്ലാത്ത ഈർപ്പത്തിൽ എത്താൻ ഇതിൻ്റെ ആഴത്തിലുള്ള വേരുകൾക്ക് കഴിയും. വേരുകളിലെ ബാക്ടീരിയകൾ അന്തരീക്ഷ നൈട്രജൻ ശരിയാക്കുകയും മണ്ണിൻ്റെ ഫലഭൂയിഷ്ഠതയെ പിന്തുണയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

തുവരപ്പയർ സാധാരണയായി ധാന്യങ്ങൾ, എണ്ണക്കുരുക്കൾ അല്ലെങ്കിൽ മറ്റ് പയർവർഗ്ഗങ്ങൾ എന്നിവയ്ക്കൊപ്പമാണ് വളർത്തുന്നത്. ഇൻ്റർക്രോപ്പിംഗ് ഉൽപാദന അപകടസാധ്യത കുറയ്ക്കുകയും വ്യത്യസ്ത സസ്യങ്ങളുടെ ഉയരങ്ങളിൽ സൂര്യപ്രകാശം ഉപയോഗപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇതിൻ്റെ തണ്ടുകൾ ചില പ്രദേശങ്ങളിൽ ഇന്ധനം, കാലിത്തീറ്റ, വേലി കെട്ടാനുള്ള വസ്തുക്കൾ എന്നിവയും നൽകുന്നു.

മറ്റേതൊരു രാജ്യത്തേക്കാളും കൂടുതൽ തുവരപ്പയർ ഇന്ത്യ ഉത്പാദിപ്പിക്കുകയും ഉപയോഗിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. മഴ, കീടങ്ങൾ, രോഗങ്ങൾ എന്നിവയോടൊപ്പം ആഭ്യന്തര ഉത്പാദനം ഇപ്പോഴും കുത്തനെ വ്യത്യാസപ്പെടാം. അതുകൊണ്ട് കർഷകർക്കും പോഷകാഹാരത്തിനും ഭക്ഷണ വിലകൾക്കും വിളവ് സ്ഥിരത പ്രധാനമാണ്.

From early sequencing to a complete reference

2011-12 കാലഘട്ടത്തിൽ ആശാ ഇനത്തിനായി ഇന്ത്യൻ ഗവേഷകർ ഒരു സുപ്രധാന ഡ്രാഫ്റ്റ് സീക്വൻസ് നിർമ്മിച്ചു. ആ അസംബ്ലിയിൽ ഏകദേശം 511 ദശലക്ഷം ഉയർന്ന ഗുണമേന്മയുള്ള ബേസ് പെയറുകൾ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു; ഏകദേശം 47,000 പ്രോട്ടീൻ-കോಡಿംഗ് ജീനുകളും ഇത് പ്രവചിച്ചു.

മുൻകാല പ്രവർത്തനങ്ങൾ ഓരോ ക്രോമസോമിനും ഒരു തുടർച്ചയായ സീക്വൻസിനെക്കാൾ ഒരു ഡ്രാഫ്റ്റ് ആയിരുന്നു. ആവർത്തിച്ചുള്ള ഡിയോക്സിറൈബോ ന്യൂക്ലിക് ആസിഡ് (ഡിഎൻഎ) വിടവുകളോ അനിശ്ചിതമായ ക്രമമോ ഉണ്ടാക്കി; ഷോർട്ട്-റീഡ് സീക്വൻസിംഗിന് സങ്കീർണ്ണമായ പല പ്രദേശങ്ങളും കടക്കാൻ കഴിഞ്ഞില്ല.

ആധുനിക ലോംഗ്-റീഡ് പ്ലാറ്റ്‌ഫോമുകൾക്ക് വളരെ വലിയ ഡിഎൻഎ ശകലങ്ങൾ പിന്തുടരാൻ കഴിയും; മെച്ചപ്പെട്ട അൽഗോരിതങ്ങൾ പിന്നീട് ഓവർലാപ്പ് ചെയ്യുന്ന വായനകളെ സംയോജിപ്പിക്കുകയും ശേഷിക്കുന്ന പിശകുകൾ തിരുത്തുകയും ചെയ്യുന്നു. ക്രോമസോം-കൺഫർമേഷൻ, ഒപ്റ്റിക്കൽ ഡാറ്റ എന്നിവയ്ക്ക് അസംബ്ലി ഘടന കൂടുതൽ പരിശോധിക്കാൻ കഴിയും.

പുതിയ റഫറൻസ് ഓരോ ക്രോമസോമിൻ്റെയും രണ്ടറ്റത്തുമുള്ള ടെലോമിയറുകളിലേക്ക് (telomeres) എത്തുന്നു; തുവരപ്പയറിൻ്റെ അടിസ്ഥാന സെറ്റിൽ പതിനൊന്ന് ക്രോമസോമുകൾ ഉണ്ട്. പൂർണ്ണമായ സെൻട്രോമിയറുകളും (centromeres) മറ്റ് ആവർത്തിച്ചുള്ള പ്രദേശങ്ങളും ഡ്രാഫ്റ്റുകളിൽ പലപ്പോഴും നഷ്‌ടപ്പെടുന്ന വിവരങ്ങൾ നൽകുന്നു.

What telomere-to-telomere means

ക്രോമസോം അറ്റങ്ങളെ സംരക്ഷിക്കുന്ന ആവർത്തിച്ചുള്ള ഡിഎൻഎ ഘടനകളാണ് ടെലോമിയറുകൾ. കോശവിഭജന സമയത്ത് ക്രോമസോമുകളെ വേർതിരിക്കാൻ സെൻട്രോമിയറുകൾ സഹായിക്കുന്നു. രണ്ട് പ്രദേശങ്ങളും വിപുലമായ ആവർത്തനങ്ങൾ ഉൾക്കൊള്ളുന്നു കൂടാതെ സാങ്കേതികമായി കൂട്ടിച്ചേർക്കാൻ ബുദ്ധിമുട്ടുള്ളവയുമാണ്.

ഒരു ടെലോമിയർ-ടു-ടെലോമിയർ അസംബ്ലി ഓരോ ക്രോമസോമിനെയും സീക്വൻസ് വിടവുകളില്ലാതെ പ്രതിനിധീകരിക്കാൻ ലക്ഷ്യമിടുന്നു. "പൂർണ്ണമായി വ്യാഖ്യാനിച്ചത്" (fully annotated) എന്നതിനർത്ഥം ഗവേഷകർ ജീനുകളും മറ്റ് അർത്ഥവത്തായ സവിശേഷതകളും അടയാളപ്പെടുത്തിയിട്ടുണ്ട് എന്നാണ്. ജീവശാസ്ത്രപരമായ തെളിവുകൾ വർദ്ധിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച് വ്യാഖ്യാനം മെച്ചപ്പെടുത്താൻ കഴിയും.

നേട്ടം റഫറൻസ് ജിനോടൈപ്പായ ആശയുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു, അതിൻ്റെ സ്ഥാപനപരമായ പിജിയോൺപീ-ലൈൻ കോഡ് 87119 ആണ്. ഇതുവരെ സീക്വൻസ് ചെയ്‌തിട്ടുള്ള ആദ്യത്തെ പിജിയോൺപീ ജീനോം ഇതല്ല. തുവരപ്പയറിന് വിവരിച്ചിട്ടുള്ള ആദ്യത്തെ ഇന്ത്യൻ ഫുൾ ആനോട്ടേറ്റഡ് ഗ്യാപ്‌ലെസ് റഫറൻസാണിത്.

Qualification: പൂർണ്ണമായ ഒരു റഫറൻസ് കർഷകർ വളർത്തുന്ന എല്ലാ ജനിതക വകഭേദങ്ങളും ഉൾക്കൊള്ളുന്നില്ല. ഒരു പാൻജീനോമിന് (pangenome) പലവിധത്തിലുള്ള ആക്‌സഷനുകൾ, ലാൻഡ്‌റേസുകൾ, വന്യ ബന്ധുക്കൾ എന്നിവ ആവശ്യമാണ്.

How breeders can use the resource

പൂർണ്ണമായ ജീനോമിന് ആവർത്തിച്ചുള്ള സീക്വൻസുകൾക്ക് അടുത്തായി മറഞ്ഞിരിക്കുന്ന ജീനുകളെ വെളിപ്പെടുത്താൻ കഴിയും. വലിയ ഇൻസേർഷനുകൾ, ഡിലീഷനുകൾ, ഇൻവേർഷനുകൾ എന്നിവയുൾപ്പെടെയുള്ള ഘടനാപരമായ മാറ്റങ്ങളും ഇതിന് തിരിച്ചറിയാനാകും; അത്തരം മാറ്റങ്ങൾ കാർഷിക സ്വഭാവങ്ങളെ ബാധിച്ചേക്കാം.

ബ്രീഡർമാർക്ക് വിശ്വസനീയമായ ജനിതക മാർക്കറുകളെ പ്രതിരോധം, മെച്യൂരിറ്റി അല്ലെങ്കിൽ വിളവ് എന്നിവയുമായി ബന്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയും. മാർക്കർ അസിസ്റ്റഡ് സെലക്ഷൻ ബ്രീഡിംഗ് ജനറേഷനുകളിലുടനീളം ഉപയോഗപ്രദമായ പ്രദേശങ്ങൾ ട്രാക്കുചെയ്യുന്നു; ജിനോമിക് പ്രവചനത്തിന് പല ചെറിയ ജനിതക പ്രത്യാഘാതങ്ങളും സംയോജിപ്പിക്കാൻ കഴിയും.

വാട്ടം (Wilt), വന്ധ്യതാ മൊസൈക്ക് (sterility mosaic) രോഗം എന്നിവ കഠിനമായ തുവരപ്പയർ നഷ്ടത്തിന് കാരണമാകുന്നു. ആശയുടെയും അനുബന്ധ വസ്തുക്കളുടെയും ഉള്ളിലെ പ്രതിരോധ ജീനുകളും മാർക്കറുകളും നേരത്തെയുള്ള പ്രവർത്തനങ്ങൾ തിരിച്ചറിഞ്ഞു. ഒരു മികച്ച റഫറൻസിന് ആ തിരയലുകൾ വേഗത്തിലാക്കാനും തെറ്റായ ലൊക്കേഷനുകൾ കുറയ്ക്കാനും കഴിയും.

ഗവേഷകർക്ക് വരൾച്ച സഹിഷ്ണുത, പൂക്കുന്ന സമയം, കായ്കളുടെ വികസനം എന്നിവയും പഠിക്കാം. ജീനുകൾ മണ്ണുമായും കാലാവസ്ഥയുമായും ഇടപഴകുന്നതിനാൽ ഫീൽഡ് പരീക്ഷണങ്ങൾ അത്യാവശ്യമായി തുടരുന്നു; ലബോറട്ടറി പ്രവചനങ്ങൾക്ക് മൾട്ടി-ലൊക്കേഷൻ മൂല്യനിർണ്ണയത്തെ മാറ്റിസ്ഥാപിക്കാൻ കഴിയില്ല.

Why crop diversity remains essential

ആശ വിലപ്പെട്ടതാണ്, എന്നാൽ ഒരു ജനിതക പശ്ചാത്തലത്തെ ആശ്രയിക്കുന്നത് ഭാവിയിലെ ഓപ്ഷനുകളെ ചുരുക്കും. ലാൻഡ്‌റേസുകൾ കർഷകർ രൂപപ്പെടുത്തിയ അനുരൂപീകരണങ്ങൾ വ്യത്യസ്ത ലാൻഡ്‌സ്‌കേപ്പുകളിൽ ഉടനീളം വഹിക്കുന്നു; കാട്ടു കജാനസ് (Cajanus) ബന്ധുക്കൾക്ക് കൂടുതൽ പ്രതിരോധ ജീനുകൾ ഉണ്ടായിരിക്കാം.

ജീൻബാങ്കുകൾ വിത്തുകൾ സംരക്ഷിക്കുന്നു, അതേസമയം കമ്മ്യൂണിറ്റി സംരക്ഷണം പാടങ്ങളിൽ വികസിക്കുന്ന ഇനങ്ങളെ നിലനിർത്തുന്നു. ബ്രീഡിംഗ് പ്രോഗ്രാമുകൾക്ക് രണ്ട് ഉറവിടങ്ങളും ന്യായമായ ആക്സസ് ക്രമീകരണങ്ങളും ആവശ്യമാണ്; ബാധകമായ നിയമപ്രകാരം കർഷകരുടെ അറിവിനും അംഗീകാരം ലഭിക്കണം.

കാലാവസ്ഥാ വ്യതിയാനം ചൂട്, മഴ, കീടങ്ങളുടെ സമ്മർദ്ദം എന്നിവ ഒരുമിച്ച് മാറ്റിയേക്കാം. ഭാവിയിലെ എല്ലാ അവസ്ഥകളും കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ ഒരു ജീനിനും കഴിയില്ല. രുചി, പാചക ഗുണനിലവാരം, പ്രാദേശിക മുൻഗണന എന്നിവയുമായി പ്രതിരോധശേഷി സംയോജിപ്പിക്കാൻ വിശാലമായ വൈവിധ്യം ബ്രീഡർമാരെ അനുവദിക്കുന്നു.

From sequence to farm impact

ലഭ്യമായ ബ്രീഡിംഗ് പൈപ്പ്ലൈനുകളിലൂടെ മാത്രമേ ജീനോമിക് ഡാറ്റ ഉപയോഗപ്രദമാകൂ; പൊതു സ്ഥാപനങ്ങൾക്ക് കമ്പ്യൂട്ടിംഗ്, ഫിനോടൈപ്പിംഗ്, വിത്ത് ഗുണന ശേഷി എന്നിവ ആവശ്യമാണ്. ചെറിയ ബ്രീഡിംഗ് പ്രോഗ്രാമുകൾക്കും റോ സീക്വൻസ് ഫയലുകളേക്കാൾ ഉപയോഗപ്രദമായ മാർക്കറുകൾ ആവശ്യമാണ്.

പുതിയ ഇനങ്ങൾക്ക് പരിശോധന, റിലീസ്, ഗുണമേന്മയുള്ള വിത്ത് ഉത്പാദനം എന്നിവ ആവശ്യമാണ്; പ്രകടനം പ്രാദേശിക ആവശ്യങ്ങളുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നുണ്ടോ എന്ന് കർഷകർ വിലയിരുത്തുന്നു. ഒരു റഫറൻസ് ജീനോം ലഭ്യമായതിന് ശേഷം ഈ ഘട്ടങ്ങൾ വർഷങ്ങളെടുക്കും.

നിയമപരമായ ജേംപ്ലാസം (germplasm) അവകാശങ്ങൾ സംരക്ഷിച്ചുകൊണ്ട് ഓപ്പൺ ഡാറ്റയ്ക്ക് സഹകരണം വേഗത്തിലാക്കാൻ കഴിയും. വ്യക്തമായ മെറ്റാഡാറ്റ റഫറൻസ് കോർഡിനേറ്റുകളും ഫീൽഡ് പ്രകടനവും തമ്മിലുള്ള ആശയക്കുഴപ്പം തടയുന്നു. ദീർഘകാല ക്യൂറേഷൻ ജീനോം ഉപയോഗപ്രദമാക്കും.

Conclusion

ആശാ അസംബ്ലി തുവരപ്പയറിൻ്റെ ജനിതക ഭൂപടത്തിലെ ഒരു പ്രധാന വിടവ് നികത്തുന്നു. അതിൻ്റെ കാർഷിക മൂല്യം വൈവിധ്യമാർന്ന ജേംപ്ലാസം, കർശനമായ പരീക്ഷണങ്ങൾ, വിശ്വസനീയമായ വിത്ത് വിതരണം എന്നിവയിലൂടെ ഉയർന്നുവരും.