शोधकर्ताओं ने वाइन यीस्ट प्रजाति में महाद्वीपों के बीच जीन प्रवाह का पता लगाया

शोधकर्ताओं ने Hanseniaspora uvarum की जनसंख्या जीनोमिक्स का मानचित्रण किया है, जो अंगूरों पर और स्वतःस्फूर्त वाइन किण्वन के शुरुआती चरणों में आम तौर पर पाई जाने वाली यीस्ट है, और इसमें महाद्वीपों के बीच जीन प्रवाह, इंट्रोग्रेशन तथा क्षेत्र-विशिष्ट सकारात्मक चयन के प्रमाण मिले हैं, जो यह समझाने में मदद कर सकते हैं कि यह प्रजाति किण्वन से जुड़े अलग-अलग वातावरणों के अनुरूप कैसे ढलती है।

यह अध्ययन, जो 27 जुलाई को Stress Biology में प्रकाशित हुआ, में H. uvarum के 151 स्ट्रेनों का विश्लेषण किया गया और 159 स्ट्रेनों से एक पैनजीनोम तैयार किया गया। डेटा सेट में उत्तर-पश्चिमी चीन के निंगशिया से 45 स्ट्रेन, चीन के अन्य हिस्सों से 21, ऑस्ट्रेलिया से 67 और अन्य क्षेत्रों से या अनिर्दिष्ट मूल के 18 स्ट्रेन शामिल थे। लेखकों ने कहा कि यह काम वाइनमेकिंग और फूड इंजीनियरिंग में बढ़ती रुचि आकर्षित करने वाली एक गैर-Saccharomyces यीस्ट की अब तक की सबसे स्पष्ट जीनोमिक तस्वीरों में से एक प्रस्तुत करता है।

H. uvarum वह मुख्य यीस्ट नहीं है जो वाइन में अल्कोहलिक किण्वन को पूरा करती है। प्रक्रिया के बाद के चरणों में जब एथेनॉल बढ़ता है, तो इसकी मात्रा आम तौर पर घट जाती है। लेकिन स्वतःस्फूर्त किण्वनों की शुरुआत में यह आम है और इसका अध्ययन इसलिए किया गया है क्योंकि यह सुगंध और बनावट को प्रभावित कर सकती है। पेपर में उल्लेख है कि H. uvarum के इनोकुलेशन को पहले के शोध में एस्टर और वोलाटाइल फिनोल की अधिक मात्रा, कम वोलाटाइल अम्लता और वाइन में बेहतर संवेदी गुणों से जोड़ा गया है। यह प्रजाति फलों, कोको और कॉफी से जुड़े किण्वनों में भी पाई जाती है, और कृषि में एक बायोकंट्रोल एजेंट के रूप में इसका अध्ययन किया गया है।

नए विश्लेषण के लिए शोधकर्ताओं ने उत्तर-पश्चिमी चीन के प्रमुख वाइन-उत्पादक क्षेत्रों से एकत्र 65 वाइन-संबंधित स्ट्रेनों का अनुक्रमण किया और उन आंकड़ों को 86 सार्वजनिक रूप से उपलब्ध सीक्वेंसिंग डेटासेट के साथ जोड़ा। संदर्भ जीनोम से रिपीटेटिव और लो-कॉम्प्लेक्सिटी क्षेत्रों को हटाने के बाद, उन्होंने 151 स्ट्रेनों में 575,222 उच्च-गुणवत्ता वाले वेरिएंट पहचाने, जिनमें 512,977 SNPs शामिल थे। आगे के जनसंख्या विश्लेषण 483,564 बायएलीलिक SNPs पर केंद्रित थे।

कई तरीकों ने चीनी स्ट्रेनों और अन्य महाद्वीपों पर नमूना लिए गए स्ट्रेनों के बीच एक व्यापक भौगोलिक विभाजन की ओर संकेत किया। फाइलोजेनेटिक विश्लेषण, एंशेस्ट्री कोएफिशिएंट विश्लेषण और प्रिंसिपल कंपोनेंट विश्लेषण—तीनों ने सामान्यतः चीनी आइसोलेट्स को गैर-चीनी आइसोलेट्स से अलग किया। साथ ही, यह विभाजन बिल्कुल पूर्ण नहीं था।

शोधकर्ताओं ने विभिन्न महाद्वीपों पर नमूना लिए गए क्लेड्स के बीच विभाजन के बाद पर्याप्त जीन प्रवाह और इंट्रोग्रेशन की रिपोर्ट दी। आठ माइग्रेशन एज वाले एक TreeMix मॉडल में, उन्होंने एक चीनी क्लेड से एक ऑस्ट्रेलियाई क्लेड, एक अन्य चीनी क्लेड से एक यूरोपीय क्लेड और एक यूरोपीय क्लेड से एक चीनी क्लेड की ओर जीन प्रवाह का अनुमान लगाया। अतिरिक्त मॉडलों ने ऑस्ट्रेलियाई, चीनी, यूरोपीय और अमेरिकी क्लेड्स से जुड़े और अधिक आदान-प्रदान का संकेत दिया।

एलील साझा करने की अधिकता पर आधारित एक दूसरे परीक्षण ने इस तस्वीर का समर्थन किया। सबसे ऊंचा अंतरमहाद्वीपीय f-branch मान एक चीनी क्लेड और एक ऑस्ट्रेलियाई क्लेड के बीच 49.84% था, जिसे लेखकों ने इंट्रोग्रेशन का संकेत माना। अन्य अपेक्षाकृत ऊंचे मानों ने चीनी क्लेड्स को यूरोपीय क्लेड्स से और एक चीनी क्लेड को एक ऑस्ट्रेलियाई क्लेड से जोड़ा। कुल मिलाकर, पेपर H. uvarum को व्यापक अंतरमहाद्वीपीय जीन प्रवाह और इंट्रोग्रेशन दिखाने वाली प्रजाति के रूप में वर्णित करता है, जो अलग-थलग क्षेत्रीय विकास के बजाय समय के साथ जटिल प्रसार का संकेत देता है।

इन आदान-प्रदानों के बावजूद, मुख्य चीनी और ऑस्ट्रेलियाई वाइन-संबंधित आबादियों के बीच समग्र आनुवंशिक विभेदन कम था। क्लोनल स्ट्रेनों को हटाने के बाद, औसत न्यूक्लियोटाइड विविधता चीनी वाइन-संबंधित स्ट्रेनों के लिए 0.00780 और ऑस्ट्रेलियाई वाइन-संबंधित स्ट्रेनों के लिए 0.00784 थी। दोनों क्षेत्रीय आबादियों के बीच औसत न्यूक्लियोटाइड विचलन 0.00832 था, जबकि Hudson’s FST 0.03376 था।

अध्ययन ने निंगशिया और ऑस्ट्रेलिया के स्ट्रेनों के उपसमूहों में सकारात्मक चयन के संकेत भी खोजे। RAiSD स्कोर के शीर्ष 0.5% में आने वाले लोकी का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने निंगशिया उपसमूह में सकारात्मक चयन के तहत 117 उम्मीदवार जीन और ऑस्ट्रेलियाई उपसमूह में 141 जीन पहचाने, जिनमें 23 जीन दोनों समूहों में साझा थे। इन उम्मीदवार जीनों वाले क्षेत्रों में पूरे जीनोम के बैकग्राउंड कोडिंग क्षेत्रों की तुलना में उल्लेखनीय रूप से अधिक FST मान और उल्लेखनीय रूप से कम न्यूक्लियोटाइड विविधता दिखाई दी।

जो बात खास तौर पर उभरी, वह यह थी कि चयन संकेत क्षेत्रों के बीच समान नहीं थे। निंगशिया स्ट्रेनों में समृद्ध Gene Ontology शब्द तनाव प्रतिक्रियाओं, चयापचय, RNA प्रोसेसिंग, ट्रांसलेशन, क्रोमैटिन रीमॉडलिंग और हिस्टोन एसीटिलेशन से जुड़े थे। इनमें बाहरी उद्दीपनों जैसे भूख, pH तनाव और जैविक उद्दीपन के जवाब में फिलामेंटस वृद्धि के सकारात्मक नियमन से संबंधित शब्द भी शामिल थे। लेखकों ने इन्हें निंगशिया स्ट्रेनों में उल्लेखनीय रूप से समृद्ध बताया।

निंगशिया और ऑस्ट्रेलियाई दोनों स्ट्रेनों में, तनाव-संबंधी शब्द “cytoplasmic stress granule” उल्लेखनीय रूप से समृद्ध था, लेकिन प्रत्येक क्षेत्र में इसमें अलग-अलग जीन सेट शामिल थे, केवल दो साझा जीनों को छोड़कर। ऑस्ट्रेलियाई स्ट्रेनों में, समृद्ध शब्द rRNA परिपक्वता, राइबोसोम असेंबली, RNA सर्विलांस और डिके, DNA अनवाइंडिंग, ट्रांसक्रिप्शनल एलॉन्गेशन, ट्रांसलेशनल एलॉन्गेशन, हिस्टोन और प्रोटीन युबिक्विटिनेशन, रेडॉक्स मेटाबोलिज्म, फैटी एसिड बायोसिंथेसिस और कोशिकीय परिवहन की ओर भी संकेत करते थे।

पेपर जीनोम रखरखाव कार्यों के आसपास संभावित अनुकूलन की ओर भी इशारा करता है। सकारात्मक रूप से चयनित उम्मीदवारों में, निंगशिया उपसमूह के सात जीन और ऑस्ट्रेलियाई उपसमूह के चार जीनों को “DNA repair” के रूप में एनोटेट किया गया था, हालांकि उनके बीच केवल एक जीन साझा था। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि Hanseniaspora पर पहले के काम में अन्य यीस्ट की तुलना में सेल साइकिल और DNA repair से जुड़े कुछ जीनों के नुकसान दिखाए गए हैं।

एक और प्रमुख निष्कर्ष पैनजीनोम विश्लेषण से आया। हालांकि अधिकांश नमूने अंगूर के बागों और किण्वनों जैसे मानव-संबद्ध वातावरणों से आए थे, H. uvarum ने वह दिखाया जिसे लेखकों ने एक ओपन पैनजीनोम कहा। व्यावहारिक रूप से इसका मतलब है कि जैसे-जैसे विश्लेषण में और स्ट्रेन जोड़े जाते हैं, नए जीन लगातार सामने आते रहते हैं, बजाय इसके कि वे जल्दी ही एक निश्चित जीन-समूह पर स्थिर हो जाएं। यह परिणाम विविध तनावों और परिस्थितियों के तहत व्यापक अनुकूलन क्षमता का संकेत देता है।

पेय उत्पादकों के लिए, इस तरह की जीनोमिक विविधता बुनियादी विकासवादी जीवविज्ञान से आगे भी उपयोगी हो सकती है। गैर-Saccharomyces यीस्ट्स लाइनिज और क्षेत्र के अनुसार कैसे भिन्न होती हैं, इसकी बेहतर समझ भविष्य में अधिक नियंत्रित किण्वनों या वाइन और अन्य किण्वित पेयों में विशिष्ट सुगंध और बनावट लक्ष्यों के लिए स्ट्रेन चयन में मदद कर सकती है। अध्ययन सीधे व्यावसायिक प्रदर्शन का परीक्षण नहीं करता, लेकिन यह एक आनुवंशिक ढांचा प्रदान करता है जो स्टार्टर कल्चर या मिश्रित किण्वनों पर बाद के अनुप्रयुक्त कार्य का मार्गदर्शन कर सकता है।

लेखक इस काम को H. uvarum पर भविष्य के पारिस्थितिक और औद्योगिक शोध की नींव के रूप में प्रस्तुत करते हैं, ऐसे समय में जब Saccharomyces cerevisiae के बाहर की यीस्ट्स में रुचि बढ़ रही है। खास तौर पर वाइन में, उत्पादक और शोधकर्ता उन सूक्ष्मजीवों पर अधिक ध्यान दे रहे हैं जो S. cerevisiae के हावी होने से पहले किण्वन को प्रभावित करते हैं या जिन्हें शैली बदलने के लिए उसके साथ इस्तेमाल किया जा सकता है।

कई महाद्वीपों से सार्वजनिक जीनोम के साथ नए अनुक्रमित चीनी आइसोलेट्स को जोड़कर, यह अध्ययन उस तस्वीर में और विवरण जोड़ता है: H. uvarum व्यापक स्तर पर भौगोलिक रूप से संरचित दिखाई देती है, लेकिन क्षेत्रों के बीच बार-बार होने वाले आदान-प्रदान से भी आकार लेती है; इसमें अनुकूलन के स्थानीय संकेत मौजूद हैं; और इसका जीन भंडार इतना लचीला बना हुआ है कि कृषि और किण्वन-संबंधी दबावों के तहत आगे विकासवादी संभावनाओं का संकेत देता है।