খরা পরিস্থিতিতে সরিষার বৃদ্ধি নিয়ন্ত্রণকারী উপাদানগুলির জিনোম-ব্যাপী শনাক্তকরণ এবং অভিব্যক্তি বিশ্লেষণ

গুইঝো প্রদেশে বৃষ্টিপাতের ঋতুভিত্তিক বন্টন অসম, বসন্ত ও গ্রীষ্মকালে বৃষ্টিপাত বেশি হয়, কিন্তু শরৎ ও শীতকালে সরিষার চারা খরা পীড়নের প্রতি সংবেদনশীল থাকে, যা ফলনকে মারাত্মকভাবে প্রভাবিত করে। সরিষা একটি বিশেষ তৈলবীজ ফসল যা প্রধানত গুইঝো প্রদেশে চাষ করা হয়। এর শক্তিশালী খরা সহনশীলতা রয়েছে এবং এটি পার্বত্য অঞ্চলেও চাষ করা যায়। এটি খরা-প্রতিরোধী জিনের একটি সমৃদ্ধ উৎস। সরিষার জাতের উন্নতি এবং জার্মপ্লাজম সম্পদে উদ্ভাবনের জন্য খরা-প্রতিরোধী জিনের আবিষ্কার অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। GRF পরিবার উদ্ভিদের বৃদ্ধি ও বিকাশ এবং খরা পীড়নের প্রতিক্রিয়ায় একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। বর্তমানে, আরবিডোপসিস², ধান (Oryza sativa)¹², সরিষা¹³, তুলা (Gossypium hirsutum)¹⁴, গম (Triticum aestivum)¹⁵, বাজরা (Setaria italica)¹⁶ এবং ব্রাসিকা¹⁷-তে GRF জিন পাওয়া গেছে, কিন্তু সরিষাতে GRF জিন শনাক্ত হওয়ার কোনো প্রতিবেদন নেই। এই গবেষণায়, সরিষার GRF ফ্যামিলি জিনগুলোকে জিনোম-ব্যাপী পর্যায়ে শনাক্ত করা হয়েছে এবং তাদের ভৌত ও রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য, বিবর্তনীয় সম্পর্ক, হোমোলজি, সংরক্ষিত মোটিফ, জিন কাঠামো, জিন ডুপ্লিকেশন, সিস-এলিমেন্ট এবং চারা পর্যায় (চার-পাতা পর্যায়) বিশ্লেষণ করা হয়েছে। খরা প্রতিক্রিয়ায় BjGRF জিনগুলোর সম্ভাব্য কার্যকারিতা নিয়ে পরবর্তী গবেষণার জন্য একটি বৈজ্ঞানিক ভিত্তি প্রদান করতে এবং খরা-সহনশীল সরিষার প্রজননের জন্য ক্যান্ডিডেট জিন সরবরাহ করতে, খরা পীড়নের অধীনে এদের এক্সপ্রেশন প্যাটার্ন ব্যাপকভাবে বিশ্লেষণ করা হয়েছে।
দুটি HMMER সার্চ ব্যবহার করে ব্রাসিকা জুন্সিয়া জিনোমে চৌত্রিশটি BjGRF জিন শনাক্ত করা হয়েছে, যেগুলোর সবকটিতেই QLQ এবং WRC ডোমেইন রয়েছে। শনাক্তকৃত BjGRF জিনগুলোর CDS সিকোয়েন্স পরিপূরক সারণি S1-এ উপস্থাপন করা হয়েছে। BjGRF01–BjGRF34-এর নামকরণ করা হয়েছে ক্রোমোজোমে তাদের অবস্থানের উপর ভিত্তি করে। এই পরিবারের ভৌত-রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যগুলো নির্দেশ করে যে অ্যামিনো অ্যাসিডের দৈর্ঘ্য অত্যন্ত পরিবর্তনশীল, যা ২৬১ aa (BjGRF19) থেকে ৯০৫ aa (BjGRF28) পর্যন্ত বিস্তৃত। BjGRF-এর আইসোইলেকট্রিক পয়েন্ট ৬.১৯ (BjGRF02) থেকে ৯.৩৫ (BjGRF03) পর্যন্ত বিস্তৃত, যার গড় ৮.৩৩, এবং BjGRF-এর ৮৮.২৪% হলো একটি ক্ষারীয় প্রোটিন। BjGRF-এর পূর্বাভাসিত আণবিক ওজনের পরিসীমা হলো ২৯.৮২ kDa (BjGRF19) থেকে ১০২.৯০ kDa (BjGRF28); BjGRF প্রোটিনগুলোর অস্থিতিশীলতা সূচকের পরিসীমা ৫১.১৩ (BjGRF08) থেকে ৭৮.২৪ (BjGRF19), সবগুলোই ৪০-এর বেশি, যা নির্দেশ করে যে ফ্যাটি অ্যাসিড সূচকের পরিসীমা ৪৩.৬৫ (BjGRF01) থেকে ৭৮.৭৮ (BjGRF22), গড় হাইড্রোফিলিসিটি (GRAVY)-এর পরিসীমা -১.০৭ (BjGRF31) থেকে -০.৪৫ (BjGRF22), সমস্ত হাইড্রোফিলিক BjGRF প্রোটিনের GRAVY মান ঋণাত্মক, যা রেসিডিউগুলোর কারণে হাইড্রোফোবিসিটির অভাবের জন্য হতে পারে। সাবসেলুলার লোকালাইজেশন প্রেডিকশন থেকে দেখা যায় যে, ৩১টি BjGRF এনকোডেড প্রোটিন নিউক্লিয়াসে, BjGRF04 পেরোক্সিসোমে, BjGRF25 সাইটোপ্লাজমে এবং BjGRF28 ক্লোরোপ্লাস্টে অবস্থান করতে পারে (টেবিল ১)। এটি ইঙ্গিত দেয় যে, BjGRF-সমূহ নিউক্লিয়াসে অবস্থান করতে পারে এবং ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টর হিসেবে একটি গুরুত্বপূর্ণ নিয়ন্ত্রক ভূমিকা পালন করতে পারে।
বিভিন্ন প্রজাতির GRF ফ্যামিলির ফাইলোজেনেটিক বিশ্লেষণ জিনের কার্যকারিতা অধ্যয়নে সাহায্য করতে পারে। এজন্য, ৩৫টি রেপসিড, ১৬টি শালগম, ১২টি ধান, ১০টি বাজরা এবং ৯টি অ্যারাবিডোপসিস GRF-এর পূর্ণাঙ্গ অ্যামিনো অ্যাসিড সিকোয়েন্স ডাউনলোড করা হয়েছিল এবং ৩৪টি শনাক্তকৃত BjGRF জিনের উপর ভিত্তি করে একটি ফাইলোজেনেটিক ট্রি তৈরি করা হয়েছিল (চিত্র ১)। তিনটি উপ-পরিবারে বিভিন্ন সংখ্যক সদস্য রয়েছে; ১১৬টি GRF ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টর (TF) তিনটি ভিন্ন উপ-পরিবারে (গ্রুপ A~C) বিভক্ত, যেগুলিতে যথাক্রমে ৫৯% (৫০.৮৬%), ৩৪% (২৯.৩১%) এবং ২৩% (১৯.৮৩%) GRF রয়েছে। এদের মধ্যে, ৩৪টি BjGRF ফ্যামিলির সদস্য ৩টি উপ-পরিবারে ছড়িয়ে রয়েছে: গ্রুপ A-তে ১৩ জন (৩৮.২৪%), গ্রুপ B-তে ১২ জন (৩৫.২৯%) এবং গ্রুপ C-তে ৯ জন (২৬.৪৭%)। সর্ষের পলিপ্লয়েডাইজেশন প্রক্রিয়ায়, বিভিন্ন উপ-পরিবারে BjGRFs জিনের সংখ্যা ভিন্ন হয় এবং জিনের বিবর্ধন ও বিলোপ ঘটে থাকতে পারে। এটি লক্ষণীয় যে, গ্রুপ C-তে ধান ও বাজরার GRF-এর কোনো বণ্টন নেই, অথচ গ্রুপ B-তে ২টি ধানের GRF এবং ১টি বাজরার GRF রয়েছে এবং ধান ও বাজরার বেশিরভাগ GRF একটি শাখায় দলবদ্ধ হয়েছে, যা ইঙ্গিত করে যে BjGRF-গুলো দ্বিবীজপত্রী উদ্ভিদের সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত। এদের মধ্যে, Arabidopsis thaliana-তে GRF-এর কার্যকারিতার উপর সবচেয়ে গভীর গবেষণা BjGRF-এর কার্যকরী গবেষণার জন্য একটি ভিত্তি প্রদান করে।
সরিষা (ব্রাসিকা ন্যাপাস সহ), ধান, বাজরা এবং অ্যারাবিডোপসিস থ্যালিয়ানা জিআরএফ পরিবারের সদস্যদের ফাইলোজেনেটিক ট্রি।
সর্ষের GRF পরিবারের পুনরাবৃত্তিমূলক জিনের বিশ্লেষণ। পটভূমিতে থাকা ধূসর রেখাটি সর্ষের জিনোমের একটি সমলয়িত অংশকে এবং লাল রেখাটি BjGRF জিনের একজোড়া খণ্ডিত পুনরাবৃত্তিকে নির্দেশ করে;
চতুর্থ পাতা পর্যায়ে খরা পীড়নের অধীনে BjGRF জিনের অভিব্যক্তি। qRT-PCR উপাত্ত পরিপূরক সারণি S5-এ দেখানো হয়েছে। উপাত্তের তাৎপর্যপূর্ণ পার্থক্য ছোট হাতের অক্ষর দ্বারা নির্দেশিত হয়েছে।
বৈশ্বিক জলবায়ুর ক্রমাগত পরিবর্তনের সাথে সাথে, ফসল কীভাবে খরা মোকাবেলা করে এবং তাদের সহনশীলতার প্রক্রিয়া উন্নত করে তা নিয়ে গবেষণা করা একটি গুরুত্বপূর্ণ গবেষণার বিষয় হয়ে উঠেছে¹⁸। খরার পরে, উদ্ভিদের অঙ্গসংস্থানিক কাঠামো, জিনের প্রকাশ এবং বিপাকীয় প্রক্রিয়া পরিবর্তিত হয়, যা সালোকসংশ্লেষণ বন্ধ করে দিতে পারে এবং বিপাকীয় ব্যাঘাত ঘটাতে পারে, ফলে ফসলের ফলন এবং গুণমান প্রভাবিত হয়¹⁹,²⁰,²¹। যখন উদ্ভিদ খরার সংকেত অনুভব করে, তখন তারা Ca²⁺ এবং ফসফ্যাটিডাইলিনোসিটলের মতো সেকেন্ড মেসেঞ্জার তৈরি করে, কোষের অভ্যন্তরে ক্যালসিয়াম আয়নের ঘনত্ব বাড়ায় এবং প্রোটিন ফসফোরাইলেশন পথের নিয়ন্ত্রক নেটওয়ার্ক সক্রিয় করে²²,²³। চূড়ান্ত লক্ষ্য প্রোটিন সরাসরি কোষীয় প্রতিরক্ষায় জড়িত থাকে অথবা ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টরের (TFs) মাধ্যমে সম্পর্কিত স্ট্রেস জিনের প্রকাশ নিয়ন্ত্রণ করে, যা উদ্ভিদের স্ট্রেস সহনশীলতা বাড়ায়²⁴,²⁵। সুতরাং, খরা মোকাবেলায় ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টর (TFs) একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। খরা মোকাবেলায় সাড়া দেওয়া ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টরের ক্রম এবং ডিএনএ-এর সাথে সংযুক্ত হওয়ার বৈশিষ্ট্য অনুসারে, ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টরগুলোকে বিভিন্ন পরিবারে বিভক্ত করা যেতে পারে, যেমন GRF, ERF, MYB, WRKY এবং অন্যান্য পরিবার²⁶।
জিআরএফ (GRF) জিন পরিবার হলো এক প্রকার উদ্ভিদ-নির্দিষ্ট ট্রান্সক্রিপশন ফ্যাক্টর (TF) যা বৃদ্ধি, বিকাশ, সংকেত সঞ্চালন এবং উদ্ভিদের প্রতিরক্ষা প্রতিক্রিয়ার মতো বিভিন্ন ক্ষেত্রে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। প্রথম জিআরএফ জিনটি ও. সাটিভা (O. sativa)-তে শনাক্ত হওয়ার পর থেকে, আরও অনেক প্রজাতিতে জিআরএফ জিন শনাক্ত করা হয়েছে এবং দেখা গেছে যে এগুলো উদ্ভিদের বৃদ্ধি, বিকাশ এবং পীড়ন প্রতিক্রিয়াকে প্রভাবিত করে। ব্রাসিকা জুন্সিয়া (Brassica juncea)-র জিনোম সিকোয়েন্স প্রকাশিত হওয়ার সাথে সাথে বিজিআরএফ (BjGRF) জিন পরিবার শনাক্ত করা সম্ভব হয়েছে। এই গবেষণায়, সম্পূর্ণ সরিষার জিনোম থেকে ৩৪টি বিজিআরএফ জিন শনাক্ত করা হয়েছে এবং তাদের ক্রোমোজোমাল অবস্থানের উপর ভিত্তি করে বিজিআরএফ০১–বিজিআরএফ৩৪ নামকরণ করা হয়েছে। এদের সকলের মধ্যেই অত্যন্ত সংরক্ষিত কিউএলকিউ (QLQ) এবং ডব্লিউআরসি (WRC) ডোমেইন রয়েছে। ভৌত-রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য বিশ্লেষণ করে দেখা গেছে যে বিজিআরএফ প্রোটিনগুলোর (বিজিআরএফ২৮ ব্যতীত) অ্যামিনো অ্যাসিড সংখ্যা এবং আণবিক ওজনের মধ্যে পার্থক্য উল্লেখযোগ্য নয়, যা ইঙ্গিত করে যে বিজিআরএফ পরিবারের সদস্যদের কাজ একই রকম হতে পারে। জিন কাঠামো বিশ্লেষণে দেখা গেছে যে ৬৪.৭% BjGRF জিনে ৪টি এক্সন রয়েছে, যা ইঙ্গিত করে যে BjGRF জিনের কাঠামো বিবর্তনে তুলনামূলকভাবে সংরক্ষিত, কিন্তু BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 এবং BjGRF29 জিনগুলিতে এক্সনের সংখ্যা বেশি। গবেষণায় দেখা গেছে যে এক্সন বা ইন্ট্রনের সংযোজন বা অপসারণ জিনের কাঠামো এবং কার্যকারিতায় পার্থক্য আনতে পারে, যার ফলে নতুন জিন তৈরি হয়³⁴,³⁵,³⁶। অতএব, আমরা অনুমান করি যে বিবর্তনের সময় BjGRF-এর ইন্ট্রন হারিয়ে গেছে, যা জিনের কার্যকারিতায় পরিবর্তন আনতে পারে। বিদ্যমান গবেষণার সাথে সামঞ্জস্য রেখে, আমরা আরও দেখেছি যে ইন্ট্রনের সংখ্যা জিন এক্সপ্রেশনের সাথে সম্পর্কিত। যখন একটি জিনে ইন্ট্রনের সংখ্যা বেশি হয়, তখন জিনটি বিভিন্ন প্রতিকূল কারণের প্রতি দ্রুত সাড়া দিতে পারে।
জিনোমিক এবং জেনেটিক বিবর্তনে জিন ডুপ্লিকেশন একটি প্রধান নিয়ামক। সম্পর্কিত গবেষণায় দেখা গেছে যে জিন ডুপ্লিকেশন কেবল GRF জিনের সংখ্যাই বৃদ্ধি করে না, বরং উদ্ভিদকে বিভিন্ন প্রতিকূল পরিবেশগত অবস্থার সাথে খাপ খাইয়ে নিতে সাহায্য করার জন্য নতুন জিন তৈরির একটি মাধ্যম হিসেবেও কাজ করে। এই গবেষণায় মোট ৪৮টি ডুপ্লিকেট জিন জোড়া পাওয়া গেছে, যার সবগুলোই ছিল সেগমেন্টাল ডুপ্লিকেশন, যা ইঙ্গিত করে যে এই পরিবারে জিনের সংখ্যা বৃদ্ধির জন্য সেগমেন্টাল ডুপ্লিকেশনই প্রধান প্রক্রিয়া। সাহিত্যে উল্লেখ করা হয়েছে যে সেগমেন্টাল ডুপ্লিকেশন অ্যারাবিডোপসিস এবং স্ট্রবেরিতে GRF জিন পরিবারের সদস্যদের সংখ্যাবৃদ্ধি কার্যকরভাবে ত্বরান্বিত করতে পারে, এবং এই প্রজাতিগুলোর কোনোটিতেই এই জিন পরিবারের ট্যান্ডেম ডুপ্লিকেশন পাওয়া যায়নি। এই গবেষণার ফলাফল অ্যারাবিডোপসিস থ্যালিয়ানা এবং স্ট্রবেরি পরিবারের উপর বিদ্যমান গবেষণার সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ, যা পরামর্শ দেয় যে GRF পরিবার বিভিন্ন উদ্ভিদে সেগমেন্টাল ডুপ্লিকেশনের মাধ্যমে জিনের সংখ্যা বৃদ্ধি করতে এবং নতুন জিন তৈরি করতে পারে।
এই গবেষণায়, সরিষায় মোট ৩৪টি BjGRF জিন শনাক্ত করা হয়েছে, যেগুলোকে ৩টি উপ-পরিবারে বিভক্ত করা হয়েছে। এই জিনগুলো একই রকম সংরক্ষিত মোটিফ এবং জিন কাঠামো প্রদর্শন করেছে। সমরেখতা বিশ্লেষণে সরিষায় ৪৮ জোড়া সেগমেন্ট ডুপ্লিকেশন (segment duplication) প্রকাশ পেয়েছে। BjGRF প্রোমোটার অঞ্চলে আলোক প্রতিক্রিয়া, হরমোন প্রতিক্রিয়া, পরিবেশগত চাপ প্রতিক্রিয়া এবং বৃদ্ধি ও বিকাশের সাথে সম্পর্কিত সিস-অ্যাক্টিং এলিমেন্ট (cis-acting elements) রয়েছে। ৩৪টি BjGRF জিনের অভিব্যক্তি সরিষার চারা পর্যায়ে (শিকড়, কাণ্ড, পাতা) এবং খরা পরিস্থিতিতে ১০টি BjGRF জিনের অভিব্যক্তির ধরণ শনাক্ত করা হয়েছে। দেখা গেছে যে, খরা চাপের অধীনে BjGRF জিনগুলোর অভিব্যক্তির ধরণ একই রকম এবং খরা বলপ্রয়োগ নিয়ন্ত্রণে এদের ভূমিকাও একই রকম হতে পারে। BjGRF03 এবং BjGRF32 জিনগুলো খরা চাপে ইতিবাচক নিয়ন্ত্রক ভূমিকা পালন করতে পারে, অন্যদিকে BjGRF06 এবং BjGRF23 জিনগুলো miR396 টার্গেট জিন হিসেবে খরা চাপে ভূমিকা পালন করে। সামগ্রিকভাবে, আমাদের এই গবেষণাটি ব্রাসিকেসি গোত্রের উদ্ভিদে BjGRF জিনের কার্যকারিতা ভবিষ্যতে আবিষ্কারের জন্য একটি জৈবিক ভিত্তি প্রদান করে।
এই পরীক্ষায় ব্যবহৃত সরিষার বীজ গুইঝো কৃষি বিজ্ঞান একাডেমির অন্তর্গত গুইঝো তেলবীজ গবেষণা ইনস্টিটিউট সরবরাহ করেছিল। সম্পূর্ণ বীজ বাছাই করে মাটিতে রোপণ করা হয় (মাটি: উপস্তর = ৩:১), এবং চার-পাতা পর্যায় পার হওয়ার পর শিকড়, কাণ্ড ও পাতা সংগ্রহ করা হয়। খরা পরিস্থিতি অনুকরণের জন্য গাছগুলোকে ২০% পিইজি ৬০০০ (PEG 6000) দিয়ে শোধন করা হয় এবং ০, ৩, ৬, ১২ ও ২৪ ঘণ্টা পর পাতাগুলো সংগ্রহ করা হয়। পরবর্তী পরীক্ষার জন্য সমস্ত গাছের নমুনা তাৎক্ষণিকভাবে তরল নাইট্রোজেনে হিমায়িত করা হয় এবং তারপর একটি -৮০° সেলসিয়াস ফ্রিজারে সংরক্ষণ করা হয়।
এই গবেষণাকালে প্রাপ্ত বা বিশ্লেষিত সমস্ত তথ্য প্রকাশিত প্রবন্ধ এবং পরিপূরক তথ্য ফাইলগুলোতে অন্তর্ভুক্ত করা হয়েছে।