एकाच सिक्वेन्सिंग रीड्समधून केंद्रकीय आणि हरितलवक DNA चे विश्लेषण
प्रथम लेखिका म्हणून सुश्री Eranga Pawani Witharana सह, आमच्या प्रयोगशाळेत केंद्रीत संशोधन गटाने क्लोरोप्लास्ट जीनोम विश्लेषणासाठी वापरल्या जाणाऱ्या समान अनुक्रम वाचनातून केंद्रकीय फायलोजेनेटिक माहिती कार्यक्षमतेने पुनर्प्राप्त करण्याची पद्धत प्रदर्शित केली, ज्यामुळे दोन्ही एकात्मिक डेटा स्रोतांची तुलना करता येईल.
मूळ संशोधन लेखाची माहिती
शीर्षक: Subfamily evolution analysis using nuclear and chloroplast data from the same reads
लेखक: Eranga Pawani Witharana, Takaya Iwasaki, Myat Htoo San, Nadeeka U. Jayawardana, Nobuhiro Kotoda, Masashi Yamamoto & Yukio Nagano
नियतकालिक: Scientific Reports
प्रकाशित: January 3, 2025 (accepted December 13, 2024)
DOI: 10.1038/s41598-024-83292-9
नियतकालिकाचे निर्देशांक: 2025 Journal Impact Factor: 4.9; 2025 5-year Journal Impact Factor: 4.8; 2025 SNIP: 1.339; 2025 SJR: 0.893; जगातील दुसऱ्या क्रमांकाचे सर्वाधिक उद्धृत नियतकालिक (जुलै 2026 पर्यंत प्रकाशकाने जाहीर केलेले नवीनतम निर्देशांक)
लेखाचा प्रकार: Open Access
क्लोरोप्लास्ट (cp) जीनोम्सचा मोठ्या प्रमाणावर वनस्पती फायलोजेनेटिक्समध्ये वापर केला जातो कारण ते तुलनेने लहान आणि ट्रॅक्टेबल असतात. तथापि, अनेक अँजिओस्पर्म्समध्ये, cpDNA एकपरीत्वाने वारशाने मिळतो—बहुतेकदा मातृत्वाने—आणि म्हणून द्विप्यारंटली वारशाने मिळालेल्या केंद्रकीय DNA पासून भिन्न फिलोजेनेटिक सिग्नल वाहून नेऊ शकतो. एकटा क्लोरोप्लास्ट डेटा परिणामतः काही उत्क्रांती संबंधांचे निराकरण करण्यासाठी अपुरा असू शकतो.
अधिक व्यापक फिलोजेनेटिक माहिती मिळविण्यासाठी, दोन्ही पालकांकडून वारशाने मिळालेली केंद्रकीय DNA माहिती देखील महत्त्वाची आहे. केंद्रकीय DNA cpDNA पेक्षा अधिक समग्र अनुवांशिक दृष्टीकोन प्रदान करते. तथापि, पूर्ण केंद्रकीय DNA माहिती मिळवणे पूर्वी उच्च खर्चाशी संबंधित होते. अलिकडच्या वर्षांत, केंद्रकीय DNA डेटा मिळविण्यासाठी अत्यंत किफायतशीर पद्धती उदयास आल्या आहेत (उदा. लक्ष्य कॅप्चर, RNA अनुक्रम), परंतु सामान्यतः क्लोरोप्लास्ट आणि केंद्रकीय DNA डेटा स्वतंत्रपणे तयार करणे आवश्यक आहे.
या अभ्यासात, या आव्हानाला सामोरे जाण्यासाठी, आम्ही क्लोरोप्लास्ट जीनोम विश्लेषणासाठी वापरल्या जाणाऱ्या “अचूक समान” कच्च्या (अप्रक्रिया न केलेल्या) रीड सिक्वेन्स डेटामधून केंद्रकीय DNA फायलोजेनेटिक माहिती मिळवणाऱ्या नवीन पद्धतीच्या विकासावर आणि प्रमाणीकरणावर लक्ष केंद्रित केले.
आम्ही Read2Tree नावाचे नवीन संगणकीय साधन वापरले. Read2Tree रॉ रीड सिक्वेन्स डेटामधून संरक्षित केंद्रकीय जनुक अनुक्रमांचे थेट आणि कार्यक्षम निष्कर्षण सक्षम करते.
पेपरच्या प्रकाशनानंतर, आम्ही "Eranga-Witharana/rt2-phylogenomics" वर GitHub वर पुनरुत्पादन आणि कार्यप्रवाहाचा पुढील अनुप्रयोग सुलभ करण्यासाठी विश्लेषण पाइपलाइन सोडली.
Read2Tree
- किफायतशीर: क्लोरोप्लास्ट विश्लेषणासारखाच कच्चा डेटा वापरल्याने डेटा संपादन खर्च कमी होतो.
- सर्वसमावेशक केंद्रकीय डेटा पुनर्प्राप्ती: संदर्भ जीनोम-मार्गदर्शित दृष्टीकोन मोठ्या संख्येने संरक्षित केंद्रकीय जीन्स काढण्याची परवानगी देतो.
- सुव्यवस्थित विश्लेषण: एकात्मिक पाइपलाइन म्हणून कार्य करते जीन आयडेंटिफिकेशन ते अलाइनमेंट जनरेशन ते फिलोजेनेटिक ट्री कंस्ट्रक्शन.
- कोणत्याही सानुकूल तयारीची आवश्यकता नाही: प्रजाती-विशिष्ट प्रोब सेट किंवा डेटाबेस डिझाइन आणि प्रमाणित करण्याची आवश्यकता दूर करून, विद्यमान संदर्भ डेटासेट वापरते.
- विसंगती विश्लेषणासाठी उपयुक्त: वैयक्तिक जनुक संरेखन डेटा आउटपुट करते, ज्याचा उपयोग फायलोजेनेटिक विसंगतीच्या कारणांचा तपास करण्यासाठी केला जाऊ शकतो (जसे की जीन झाडे आणि प्रजातींच्या झाडांमधील विसंगती).
पद्धत प्रमाणीकरण: Aurantioideae वनस्पती वापरण्याचे उदाहरण
या नवीन पद्धतीची परिणामकारकता आणि उपयुक्तता प्रमाणित करण्यासाठी (Read2Tree वापरून केंद्रकीय DNA फायलोजेनेटिक विश्लेषण), आम्ही वनस्पती समूह ऑरंटिओइडेईला लक्ष्य केले. लिंबूवर्गीय आणि त्याच्या जवळच्या नातेवाइकांचा समावेश असलेल्या ऑरंटिओइडेई हा जटिल फायलोजेनेटिक संबंध असलेला एक महत्त्वाचा गट आहे.
Read2Tree वापरून, अभ्यासाने 39 Aurantioideae प्रजातींसाठी संरक्षित केंद्रकीय जनुकांचे अनुक्रम पुनर्प्राप्त केले आणि परिणामी केंद्रकीय फायलोजेनींची तुलना त्याच कच्च्या रीड्सपासून तयार केलेल्या क्लोरोप्लास्ट जीनोम वृक्षांशी केली.
- विद्यमान केंद्रकीय DNA पद्धतींशी तुलना: Read2Tree ने तयार केलेल्या केंद्रकीय DNA फायलोजेनेटिक वृक्षाची पूर्वीच्या अभ्यासांमध्ये वापरलेल्या दुसऱ्या केंद्रकीय DNA पद्धतीने, RAD-Seq ने तयार केलेल्या वृक्षाशी तुलना केली. या तुलनेद्वारे Read2Tree च्या विश्वासार्हतेचे मूल्यमापन करण्यात आले.
- क्लोरोप्लास्ट फायलोजेनेटिक विश्लेषणासह एकत्रीकरण: क्लोरोप्लास्ट जीनोमची फाइलोजेनेटिक झाडे समान कच्च्या डेटापासून तयार केली गेली आणि Read2Tree द्वारे उत्पादित केंद्रकीय DNA झाडांशी तुलना केली गेली. या पध्दतीने सायटोन्यूक्लियर डिसकॉर्डन्स, क्लोरोप्लास्ट आणि न्यूक्लियर फायलोजेनीजमधील विसंगतीची तपासणी केली.
- विसंगतीच्या कारणांचे विश्लेषण: Read2Tree ने दिलेला स्वतंत्र जनुक-संरेखन डेटा इतर पद्धतींसह (D-statistic, DFOIL, QuIBL इ.) वापरून, आढळलेली फायलोजेनेटिक विसंगती incomplete lineage sorting (ILS), जनुकीय अंतःप्रवाह (introgression) किंवा प्राचीन जनुकीय अंतःप्रवाह यांसारख्या जटिल उत्क्रांती प्रक्रियांमुळे निर्माण झाली का, याचे विश्लेषण केले.
परिणाम (पद्धतीची प्रभावीता)
या अभ्यासाच्या परिणामांनी Read2Tree:
- केंद्रकीय फायलोजेनीजची तुलना: Read2Tree केंद्रकीय फायलोजेनिज पूर्वीच्या RAD-Seq अभ्यासाने नोंदवलेल्या संबंधांशी मोठ्या प्रमाणात सुसंगत होते. काही टॅक्सन प्लेसमेंट अनिश्चित राहिल्या, त्यामुळे प्रत्येक शाखेचे निश्चितपणे निराकरण करणारे विश्लेषण वाचले जाऊ नये.
- डेटाचा कार्यक्षम पुनर्वापर: समान शॉर्ट-रीड डेटासेटने क्लोरोप्लास्ट जीनोम विश्लेषण आणि न्यूक्लियर फायलोजेनेटिक अनुमान दोन्ही समर्थित केले, ज्यामुळे स्वतंत्र अनुक्रम डेटासेट तयार करण्यापेक्षा दृष्टीकोन अधिक किफायतशीर बनला. हा डेटा-संपादन फायदा होता, औपचारिक आर्थिक मूल्यांकन नाही.
- फायलोजेनेटिक विसंगतीचे विश्लेषण: अनेक विश्लेषणांवरून असे सूचित झाले की आढळलेल्या बहुतांश विसंगतीचे स्पष्टीकरण incomplete lineage sorting (ILS) ने होते; काही विशिष्ट clade मध्ये जनुकीय अंतःप्रवाह (introgression) आणि प्राचीन जनुकीय अंतःप्रवाह यांचाही सहभाग असू शकतो.
निष्कर्ष
अभ्यासातून असे दिसून आले की Read2Tree क्लोरोप्लास्ट जीनोम विश्लेषणासाठी वापरलेल्या त्याच कच्च्या रीड्समधून संरक्षित केंद्रकीय जनुके पुनर्प्राप्त करू शकते. त्यामुळे केंद्रकीय आणि क्लोरोप्लास्ट फायलोजेनींची तुलना करणे तसेच incomplete lineage sorting (ILS) आणि जनुकीय अंतःप्रवाह (introgression) यांच्या योगदानाची तपासणी करणे शक्य झाले. काही taxon ची मांडणी अनिश्चित राहिली आणि या अभ्यासाने प्रत्येक शाखा निर्णायकपणे सोडवलेली नाही.
या पद्धतीमध्ये भविष्यातील वनस्पती फायलोजेनेटिक संशोधनामध्ये उत्क्रांती इतिहासाच्या अधिक तपशीलवार आणि विश्वासार्ह पुनर्रचनेत योगदान देण्याची क्षमता आहे.
अन्न घटकांवर संशोधन करण्यासाठी संभाव्य अनुप्रयोग
खालील मुद्दे वैध फिलोजेनेटिक वर्कफ्लोमधून अनुमानित संभाव्य अनुप्रयोगांचे वर्णन करतात. पेपरमध्ये पीक प्रजनन, चव, पौष्टिक मूल्य किंवा रोग प्रतिकारशक्तीची थेट चाचणी केली नाही.
उदाहरणार्थ, या अभ्यासात वापरलेल्या Aurantioideae सारख्या गटांमध्ये जगभरातील अन्न आणि औषधी उपयोगांसाठी महत्त्वाच्या असलेल्या वनस्पती प्रजातींचा समावेश होतो. त्यांचे अचूक फायलोजेनेटिक संबंध आणि संकरीकरणाचा जटिल उत्क्रांती इतिहास समजून घेणे हे शेतीतील पीक सुधारणेसाठी आणि भविष्यातील अन्न स्रोत बनू शकणाऱ्या मौल्यवान अनुवांशिक संसाधनांचे (जसे की जंगली नातेवाईक) संरक्षण आणि वापर करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे.
Read2Tree वापरणारी ही नवीन पद्धत क्लोरोप्लास्ट आणि न्यूक्लियर DNA या दोन्हींकडून समान डेटासेट वापरून माहितीचे कार्यक्षम पुनर्प्राप्ती करण्यास सक्षम करते, ज्यामुळे पूर्वीच्या अनेक खाद्य पिकांच्या प्रजातींचे अधिक व्यापक आणि तपशीलवार फिलोजेनेटिक विश्लेषण होऊ शकते.
याशिवाय, incomplete lineage sorting (ILS) आणि जनुकीय अंतःप्रवाह (introgression) यांसारख्या जटिल अनुवांशिक प्रक्रियांचे विश्लेषण केल्यामुळे, उच्च पोषणमूल्य, विशिष्ट चव आणि कीड व रोगप्रतिकारकता यांसारखी अन्नवनस्पतींची विविध वैशिष्ट्ये उत्क्रांतीच्या इतिहासात कशी प्राप्त झाली आणि टिकून राहिली, हे जनुकीय पातळीवर समजून घेण्याचा आधार मिळतो.
अशाप्रकारे, ही पद्धत अन्न म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या वनस्पतींच्या विविधतेबद्दलची आमची समज वाढवण्यासाठी आणि सुधारित वाणांच्या विकासासाठी आणि संसाधनांचा शाश्वत वापर करण्याच्या दिशेने संशोधन चालवण्यासाठी एक महत्त्वाचा पाया आहे असे म्हणता येईल.