Study of Model Organisms: Drosophila, Arabidopsis, Garden Pea, E. coli & Mice | GPB 211 Lecture 02 Notes (Hindi & English)

इस व्याख्यान के विस्तृत अध्ययन के पश्चात् विद्यार्थी निम्नलिखित आनुवंशिक एवं जैविक पहलुओं में दक्षता प्राप्त करेंगे:

पृथ्वी पर पाए जाने वाले सभी जीवों—सूक्ष्म जीवाणुओं से लेकर विशालकाय वृक्षों और स्तनधारियों तक—की मूलभूत आनुवंशिक कार्यविधि में एक अद्भुत एकता (Unity of life) पाई जाती है। सभी कोशिकीय जीवों में आनुवंशिक सूचना डीएनए (DNA) में संचित होती है, एक ही आनुवंशिक कूट (Universal Genetic Code) का पालन होता है, तथा अनुलेखन (Transcription) और अनुवादन (Translation) की प्रक्रियाएँ समान सिद्धांतों पर कार्य करती हैं। चूँकि गेहूँ, आम, हाथी या मनुष्य जैसे बड़े और लंबी आयु वाले जीवों पर सीधे आनुवंशिक प्रयोग करना समय, लागत और नैतिक दृष्टि से कठिन होता है, इसलिए वैज्ञानिक कुछ सरल और तीव्र प्रजनन करने वाले प्रतिनिधि जीवों का चयन करते हैं, जिन्हें मॉडल जीव (Model Organisms) कहा जाता है।

एक आदर्श मॉडल जीव की अनिवार्य विशेषताएँ (Criteria / Characteristics of an Ideal Model Organism)

किसी भी जीव को आनुवंशिकी के अध्ययन हेतु आदर्श मॉडल जीव मानने के लिए उसमें निम्नलिखित वैज्ञानिक गुण होने आवश्यक हैं:

1. अल्प जीवन चक्र एवं कम पीढ़ी अंतराल (Short Life Cycle & Generation Time): जीव का जन्म से लेकर प्रजनन परिपक्वता तक का समय अत्यंत कम होना चाहिए (जैसे—E. coli में 20 मिनट, Drosophila में 10–12 दिन, और Arabidopsis में 6 सप्ताह), ताकि एक वर्ष में अनेक पीढ़ियों ($\text{F}_1, \text{F}_2, \text{F}_3\dots$) का अध्ययन किया जा सके।
2. अधिक संतति संख्या (High Fecundity / Large Number of Offspring): एक ही संकरण (Single cross) से सैकड़ों या हजारों संतानें उत्पन्न होनी चाहिए, जिससे सांख्यिकीय विश्लेषण (जैसे—काई-स्क्वायर परीक्षण / $\chi^2$ test) और दुर्लभ उत्परिवर्तनों या पुनर्योजनों (Rare recombinants) की पहचान विश्वसनीय रूप से हो सके।
3. छोटा शारीरिक आकार एवं प्रयोगशाला में सुगम संवर्धन (Small Size & Easy Laboratory Maintenance): जीव आकार में छोटा होना चाहिए ताकि कम स्थान (जैसे—काँच की शीशियों, पेट्री प्लेट या छोटे गमलों) और कम खर्च में हजारों जीवों को पाला या उगाया जा सके।
4. नियंत्रित संकरण की सुगमता (Ease of Controlled Matings): नर और मादा जनकों की स्पष्ट पहचान तथा कृत्रिम संकरण (Cross-pollination or controlled mating) कराना सरल होना चाहिए।
5. छोटा एवं सरल जीनोम (Small Genome Size & Low Chromosome Number): गुणसूत्रों की संख्या कम और जीनोम का आकार छोटा (कम पुनरावर्ती DNA / Low repetitive DNA) होना चाहिए ताकि जीन मानचित्रण और संपूर्ण जीनोम अनुक्रमण (Whole Genome Sequencing) आसानी से किया जा सके।
6. उत्परिवर्तन एवं रूपांतरण के प्रति अनुकूलता (Amenability to Mutagenesis & Genetic Transformation): जीव में भौतिक/रासायनिक उत्परिवर्तजन (Mutagens) द्वारा आसानी से उत्परिवर्तन प्रेरित किया जा सके और बाहरी जीन (Transgene) का प्रवेश सरल हो।

1.1 वर्गीकरण, उपनाम एवं ऐतिहासिक पृष्ठभूमि

• वैज्ञानिक नाम: Drosophila melanogaster (ग्रीक: Drosos = ओस/नमी, philos = प्रेमी, melanos = काला, gaster = उदर; अर्थात् ‘काले उदर वाली ओस-प्रेमी मक्खी’)।
• संघ (Phylum): आर्थ्रोपोडा (Arthropoda) | वर्ग (Class): इंसेक्टा (Insecta) | गण (Order): डिप्टेरा (Diptera) | कुल (Family): ड्रोसोफिलिडी (Drosophilidae)।
• प्रसिद्ध उपनाम: इसे “आनुवंशिकी की सिंड्रेला” (Cinderella of Genetics) तथा “प्रायोगिक आनुवंशिकी की रानी” (Queen of Genetics) कहा जाता है।
• ऐतिहासिक शुरुआत: प्रयोगशाला में Drosophila का सर्वप्रथम उपयोग सी.डब्ल्यू. वुडवर्थ (C.W. Woodworth) और डब्ल्यू.ई. कैसल (W.E. Castle, 1901) ने किया था, किंतु इसे विश्वव्यापी प्रसिद्धि कोलंबिया विश्वविद्यालय के знамениत वैज्ञानिक थॉमस हंट मॉर्गन (Thomas Hunt Morgan) और उनके शिष्यों—ए.एच. स्टर्टेवेंट (A.H. Sturtevant), सी.बी. ब्रिजेस (C.B. Bridges) और एच.जे. मुलर (H.J. Muller)—की प्रसिद्ध प्रयोगशाला ‘फ्लाई रूम’ (The Fly Room, 1910) से मिली।

1.2 जीवन चक्र एवं जैविक विशेषताएँ (Life Cycle & Biological Features)

Drosophila में पूर्ण कायांतरण (Complete Metamorphosis / Holometabolous) पाया जाता है। $25^\circ\text{C}$ के आदर्श तापमान पर इसका संपूर्ण जीवन चक्र मात्र 10 से 12 दिनों में पूर्ण हो जाता है:

1. अंडा (Egg): निषेचन के बाद मादा सड़े हुए फलों या मक्का-आगर-यीस्ट माध्यम पर एक बार में $400\text{–}500$ अंडे देती है। अंडे से $24\text{ घंटे}$ (1 दिन) में लार्वा निकल आता है।
2. लार्वा अवस्था (Larval Instars — 3 Stages): लार्वा तीन निर्मोचन (Moultings) से गुजरता है—प्रथम इंस्टार (1 दिन), द्वितीय इंस्टार (1 दिन) और तृतीय इंस्टार (2 दिन)। तृतीय इंस्टार लार्वा की लार ग्रंथियों में विशाल पॉलीटीन गुणसूत्र (Polytene chromosomes) पाए जाते हैं।
3. प्यूपा अवस्था (Pupa): लार्वा गतिहीन होकर प्यूपा में बदल जाता है, जो लगभग $4\text{ दिनों}$ में वयस्क मक्खी में रूपांतरित हो जाता है।
4. वयस्क (Adult / Imago): पंखयुक्त वयस्क मक्खी का आकार लगभग $2\text{–}3\text{ mm}$ होता है और मादा बाहर निकलने के $8\text{–}12\text{ घंटे}$ बाद ही प्रजनन योग्य हो जाती है।

1.3 लैंगिक द्विरूपता (Sexual Dimorphism: Male vs Female Drosophila)

संकरण प्रयोगों के लिए नर और मादा मक्खी को बिना किसी विच्छेदन के बाह्य लक्षणों से आसानी से पहचाना जा सकता है:

1.4 गुणसूत्र संघटन एवं जीनोम की विशेषताएँ

• गुणसूत्र संख्या: $2n = 8$ (अर्थात् 4 जोड़ी गुणसूत्र / 4 सहलग्नता समूह)।
• गुणसूत्रों का विवरण:
  • गुणसूत्र जोड़ी I (Sex Chromosomes): मादा में दो छड़ के आकार के समजात $XX$ गुणसूत्र होते हैं, जबकि नर में एक सीधा $X$ और एक मुड़ा हुआ (Hook-shaped / J-shaped) $Y$ गुणसूत्र होता है। (ध्यान दें: Drosophila में $Y$ गुणसूत्र लिंग निर्धारण नहीं करता, बल्कि केवल नर की उर्वरता के लिए आवश्यक होता है; लिंग का निर्धारण $X/A$ अनुपात द्वारा होता है)।
  • गुणसूत्र जोड़ी II एवं III: बड़े आकार के मध्यकेंद्री (Metacentric — V-shaped) अलिंग गुणसूत्र (Autosomes)।
  • गुणसूत्र जोड़ी IV: अत्यंत छोटे बिंदु के समान (Dot-like) अलिंग गुणसूत्र।
• जीनोम अनुक्रमण (Genome Sequencing): वर्ष 2000 में Drosophila melanogaster के संपूर्ण जीनोम का अनुक्रमण किया गया। इसके अगुणित जीनोम का आकार लगभग $180\text{ Mb}$ (मेगाबेस युग्म) है जिसमें लगभग $14,000\text{–}15,000$ प्रोटीन-कोडिंग जीन पाए जाते हैं।

1.5 आनुवंशिकी में Drosophila के युगांतरकारी योगदान एवं नोबेल पुरस्कार

1. लिंग-सहलग्न वंशागति (Sex-linked Inheritance — T.H. Morgan, 1910): मॉर्गन ने लाल आँख वाली सामान्य (Wild-type) मक्खियों के बीच एक सफेद आँख वाले उत्परिवर्ती नर (White-eyed mutant male) की खोज की और सिद्ध किया कि आँख के रंग का जीन ($w$) $X$-गुणसूत्र पर स्थित होता है। इस कार्य से वंशागति के गुणसूत्रीय सिद्धांत की प्रयोगात्मक पुष्टि हुई (मॉर्गन को 1933 में नोबेल पुरस्कार मिला)।
2. प्रथम आनुवंशिक मानचित्र का निर्माण (First Genetic Linkage Map — A.H. Sturtevant, 1913): मॉर्गन के स्नातक छात्र अल्फ्रेड स्टर्टेवेंट ने पुनर्योजन आवृत्ति (Recombination frequency) के आधार पर विश्व का पहला गुणसूत्र मानचित्र बनाया।
3. अवियोजन एवं जीनी संतुलन सिद्धांत (Non-disjunction & Genic Balance Theory — C.B. Bridges, 1916 & 1921): केल्विन ब्रिजेस ने $X$-गुणसूत्रों के अवियोजन (Non-disjunction) द्वारा गुणसूत्रीय सिद्धांत का प्रत्यक्ष प्रमाण दिया और लिंग निर्धारण का $X/A$ अनुपात सिद्धांत प्रस्तुत किया।
4. X-किरणों द्वारा प्रेरित उत्परिवर्तन (X-ray Induced Mutation & ClB Technique — H.J. Muller, 1927): हरमन जोसेफ मुलर ने Drosophila में $ClB$ विधि द्वारा सिद्ध किया कि X-किरणें उत्परिवर्तन की दर को कई गुना बढ़ा देती हैं (मुलर को 1946 में नोबेल पुरस्कार मिला)।
5. विकासात्मक आनुवंशिकी एवं होमियोटिक जीन (Homeotic / Hox Genes — Lewis, Nüsslein-Volhard & Wieschaus, 1995 Nobel Prize): भ्रूणीय खंडों के निर्माण और अंगों की पहचान नियंत्रित करने वाले Bithorax व Antennapedia कॉम्प्लेक्स की खोज इसी मक्खी में हुई। इसके अतिरिक्त जन्मजात प्रतिरक्षा (Toll receptors — 2011 Nobel) और जैविक घड़ी (Circadian rhythm — period gene, 2017 Nobel) की खोज भी Drosophila में ही हुई।

2.1 वर्गीकरण, उपनाम एवं ऐतिहासिक पृष्ठभूमि

• वैज्ञानिक नाम: Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.
• कुल (Family): ब्रैसिकेसी / क्रूसीफेरी (Brassicaceae / Cruciferae — सरसों कुल का सदस्य)।
• सामान्य नाम एवं उपनाम: इसे सामान्यतः ‘थेल क्रेस’ (Thale cress) या ‘माउस-ईयर क्रेस’ (Mouse-ear cress) कहते हैं। पादप आनुवंशिकी में इसके असाधारण महत्त्व के कारण इसे “पादप जगत का ड्रोसोफिला” (Drosophila of the Plant Kingdom) तथा “आधुनिक पादप जीवविज्ञान की गिनी पिग” कहा जाता है।
• ऐतिहासिक पृष्ठभूमि: 16वीं शताब्दी में जर्मन चिकित्सक जोहान्स थाल (Johannes Thal) ने हरित पर्वत श्रृंखला में इस पौधे को खोजा था। वर्ष 1943 में फ्रेडरिक लाइबाख (Friedrich Laibach) ने सर्वप्रथम इसे पादप आनुवंशिकी के मॉडल जीव के रूप में प्रस्तावित किया और इसके गुणसूत्रों की गिनती की। 1980 के दशक में क्रिस सोमरविल (Chris Somerville) और इलियट मेयेरोविट्ज़ (Elliot Meyerowitz) के प्रयासों से यह विश्व का प्रमुख पादप मॉडल बन गया।

2.2 Arabidopsis thaliana एक आदर्श पादप मॉडल क्यों है?

1. अत्यंत छोटा आकार: परिपक्व पौधे की ऊँचाई मात्र $15\text{–}30\text{ cm}$ होती है और आधार पर पत्तियों का छोटा रोजेट (Rosette) बनता है। इसे छोटी पेट्री प्लेटों या $4\text{ cm}^2$ के गमलों में कृत्रिम प्रकाश कक्ष (Growth chamber) में हजारों की संख्या में उगाया जा सकता है।
2. तीव्र जीवन चक्र: बीज अंकुरण से लेकर परिपक्व बीज बनने तक का जीवन चक्र मात्र 5 से 6 सप्ताह (35–45 दिन) का होता है, जिससे एक वर्ष में $6\text{–}8$ पीढ़ियाँ प्राप्त की जा सकती हैं।
3. स्व-परागण एवं विपुल बीज उत्पादन: यह प्राकृतिक रूप से एक स्व-परागित (Self-pollinated) द्विलिंगी पौधा है, परंतु विपुंसन द्वारा पर-परागण भी कराया जा सकता है। इसकी फली को सिलिकुआ (Siliqua) कहते हैं और एक अकेला पौधा $5,000\text{ से }10,000$ सूक्ष्म बीज उत्पन्न करता है।
4. पुष्पी पादपों में सबसे छोटा ज्ञात जीनोम (Smallest Genome among Model Crops): इसमें द्विगुणित गुणसूत्र संख्या $2n = 2x = 10$ (केवल 5 जोड़ी गुणसूत्र) होती है और इसके अगुणित जीनोम का आकार मात्र $\sim 135\text{ Mb}$ ($125\text{ Mb}$ अनुक्रमित यूक्रोमैटिन) है जिसमें लगभग $25,500\text{–}27,000$ जीन हैं और पुनरावर्ती DNA (Repetitive DNA) बहुत कम है।
5. सरल आनुवंशिक रूपांतरण (Floral Dip Method — Clough & Bent, 1998): अन्य फसलों की तरह इसमें ऊतक संवर्धन (Tissue culture) की जटिल प्रक्रिया की आवश्यकता नहीं होती। केवल पौधे की पुष्प कलिकाओं को Agrobacterium tumefaciens के घोल में डुबोने (Floral Dip Method) से ही ट्रांसजेनिक बीज प्राप्त हो जाते हैं।

2.3 प्रमुख वैज्ञानिक उपलब्धियाँ एवं कृषि अनुसंधान में योगदान

• प्रथम अनुक्रमित पादप जीनोम (First Plant Genome Sequenced — December 2000): Arabidopsis Genome Initiative (AGI) के अंतर्गत दिसंबर 2000 में यह विश्व का पहला पौधा बना जिसका संपूर्ण जीनोम अनुक्रमित (Sequenced) किया गया।
• पुष्प अंग विकास का ABC मॉडल (ABC Model of Flower Development — Coen & Meyerowitz, 1991): पुष्प के चारों चक्रों—बाह्यदल (Sepals: A), दल (Petals: A+B), पुंकेसर (Stamens: B+C) और अंडप (Carpels: C)—के निर्माण को नियंत्रित करने वाले MADS-box होमियोटिक जीनों (APETALA1/2, PISTILLATA, AGAMOUS) की खोज इसी पौधे में हुई।
• पादप हार्मोन, प्रकाश-ग्राहक एवं तनाव सहिष्णुता: ऑक्सिन, जिबरेलिन, एथिलीन और एब्सिसिक अम्ल (ABA) के सिग्नलिंग पथ, फाइटोक्रोम/क्रिप्टोक्रोम प्रकाश ग्राहक तथा सूखा व लवण सहिष्णुता वाले DREB / CBF जीन सर्वप्रथम Arabidopsis में पहचाने गए।

3.1 वर्गीकरण, जीनोम एवं मॉडल जीव के रूप में विशेषताएँ

• वैज्ञानिक नाम: Pisum sativum L. | कुल (Family): फैबेसी / लेग्यूमिनोसी (Fabaceae / Leguminosae — उपकुल: Papilionaceae)।
• गुणसूत्र संख्या एवं जीनोम आकार: द्विगुणित गुणसूत्र संख्या $2n = 2x = 14$ (अगुणित संख्या $n = 7$)। Arabidopsis के विपरीत मटर का जीनोम बहुत विशाल होता है—लगभग $4.45\text{ Gb}$ ($4,450\text{ Mb}$), जो मानव जीनोम ($3.2\text{ Gb}$) से भी बड़ा है क्योंकि इसके जीनोम का लगभग $85\%$ भाग पुनरावर्ती ट्रांसपोजोन्स (Retrotransposons) से बना है। इसका संदर्भ जीनोम वर्ष 2019 (Kreplak et al.) में अनुक्रमित हुआ।
• प्रजनन जीवविज्ञान: मटर का पुष्प द्विलिंगी (Bisexual), एकव्याससममित (Zygomorphic) और अनुन्मील्य परागणी (Cleistogamous) होता है, जिसमें परागकोष कली अवस्था में ही फट जाते हैं। अतः इसमें $99\%$ से अधिक स्व-परागण होता है, जिससे बिना किसी विशेष प्रयास के समयुग्मजी शुद्ध वंशक्रम (Purelines) बने रहते हैं।
• जीवन चक्र: यह एक वर्षीय रबी सीजन की दलहनी फसल है जो $90\text{–}120\text{ दिनों}$ (3–4 माह) में पककर तैयार हो जाती है।

3.2 आनुवंशिकी एवं कृषि विज्ञान में उद्यान मटर का योगदान

1. चिरसम्मत आनुवंशिकी की जन्मस्थली (Birthplace of Classical Genetics): ग्रेगर जोहान मेंडल (1856–1863) ने मटर के 7 विपर्यासी लक्षणों का अध्ययन करके ही प्रभाविता, पृथक्करण (Law of Segregation) और स्वतंत्र अपव्यूहन (Law of Independent Assortment) के मूलभूत सिद्धांत स्थापित किए।
2. जीन-एंजाइम एवं ट्रांसपोजोन संबंध: मटर के झुर्रीदार बीज (rr — SBEI एंजाइम जीन में ट्रांसपोजोन निवेशन) और बौनेपन (le — $\text{GA}_1$ संश्लेषण में कमी) के अध्ययन ने शास्त्रीय मेंडेलियन आनुवंशिकी को आधुनिक आणविक जीवविज्ञान से जोड़ा।
3. सहजीवी नाइट्रोजन स्थिरीकरण (Symbiotic Nitrogen Fixation Genetics): मटर की जड़ों में Rhizobium leguminosarum द्वारा ग्रंथिका निर्माण (Nodulation — Sym genes) की आनुवंशिकी का अध्ययन करने के लिए यह दलहनी फसलों का प्रमुख मॉडल है।
4. प्रतान-रहित उत्परिवर्ती एवं पत्ती-रहित किस्में (Afila / Semi-leafless Mutants): मटर में afila (af) उत्परिवर्ती जीन पर्णकों (Leaflets) को प्रतानों (Tendrils) में बदल देता है, जिससे पौधे आपस में गुँथकर गिरते नहीं हैं (Lodging resistance)। भारत और राजस्थान में विकसित मटर की आधुनिक बौनी एवं पत्ती-रहित किस्मों (जैसे—अपर्णा / HFP-4, जो भारत की पहली बौनी पत्ती-रहित मटर किस्म है) में इसी जीन का उपयोग किया गया है।

4.1 वर्गीकरण, खोज एवं जैविक विशेषताएँ

• वैज्ञानिक नाम: Escherichia coli (संक्षेप में E. coli)।
• खोजकर्ता: जर्मन-ऑस्ट्रियाई बाल रोग विशेषज्ञ थियोडोर एशेरिक (Theodor Escherich) ने वर्ष 1885 में स्वस्थ शिशुओं की आँत (Colon) से इस जीवाणु को पृथक किया था।
• प्रकृति एवं संरचना: यह एक अकेंद्रकीय (Prokaryotic), एककोशिकीय, ग्राम-ऋणात्मक (Gram-negative), छड़ के आकार का (Rod-shaped / Bacillus, $1\text{–}2\ \mu\text{m}$ लंबा), बीजाणु-रहित (Non-sporulating) और विकल्पी अवायवीय (Facultative anaerobic) जीवाणु है जो गर्म रक्त वाले जंतुओं की बड़ी आँत में सहभोजी (Commensal) के रूप में रहता है।
• प्रयोगशाला स्ट्रेन: आनुवंशिक प्रयोगों में मुख्यतः इसके हानिरहित (Non-pathogenic) स्ट्रेन E. coli K-12 (1922 में स्टैनफोर्ड में पृथक) और E. coli B का उपयोग किया जाता है।

4.2 E. coli आणविक आनुवंशिकी का सर्वश्रेष्ठ मॉडल क्यों है?

1. अति तीव्र प्रजनन दर (Rapid Doubling Time): $37^\circ\text{C}$ तापमान और समृद्ध पोषक माध्यम पर यह द्विखंडन (Binary fission) द्वारा प्रत्येक 20 मिनट में अपनी संख्या दोगुनी कर लेता है। परिणामस्वरूप, एक एकल कोशिका से रात्रिभर (7–8 घंटे) में करोड़ों समरूप कोशिकाओं की कॉलोनी (Clone) तैयार हो जाती है।
2. अगुणित एवं सरल वृत्ताकार जीनोम (Haploid Circular Genome): चूँकि E. coli अगुणित ($n=1$) होता है, इसलिए इसमें प्रभावी या अप्रभावी का आवरण नहीं होता और कोई भी उत्परिवर्तन (Mutation) तुरंत अपने लक्षणप्ररूप में प्रकट हो जाता है। इसके मुख्य गुणसूत्र (Nucleoid) में एकल, द्विरज्जुकी वृत्ताकार (Circular dsDNA) अणु होता है जिसका आकार लगभग $4.6\text{ Mb}$ ($4.6 \times 10^6$ क्षारक युग्म) है और इसमें लगभग $4,288\text{–}4,400$ जीन होते हैं (पूर्ण जीनोम अनुक्रमण: Blattner et al., 1997)।
3. प्लाज्मिड की उपस्थिति (Presence of Plasmids): मुख्य गुणसूत्र के अतिरिक्त इसमें छोटे, स्वायत्त रूप से प्रतिकृति करने वाले वृत्ताकार बाह्य-गुणसूत्रीय DNA अणु पाए जाते हैं जिन्हें प्लाज्मिड (Plasmids — जोशुआ लेडरबर्ग, 1952 द्वारा नामकरण) कहते हैं, जैसे—$F$-प्लाज्मिड (Fertility factor) और $R$-प्लाज्मिड (Antibiotic resistance)।

4.3 E. coli में की गई ऐतिहासिक आनुवंशिक खोजें

5.1 वर्गीकरण एवं ऐतिहासिक पृष्ठभूमि

• वैज्ञानिक नाम: Mus musculus | वर्ग (Class): मैमेलिया (Mammalia — स्तनधारी) | गण (Order): रोडेंशिया (Rodentia) | कुल (Family): म्यूरिडी (Muridae)।
• ऐतिहासिक शुरुआत: सन् 1902 में फ्रांसीसी वैज्ञानिक ल्यूसियन क्यूएनो (Lucien Cuénot) ने चूहों के फर के रंग (Coat colour) में मेंडल के नियमों की पुष्टि की और 1905 में पीले फर वाले चूहों में घातक जीन (Lethal gene — $2:1$ अनुपात) की खोज की। वर्ष 1909 में क्लेरेंस कुक लिटिल (C.C. Little) ने हार्वर्ड विश्वविद्यालय में सहोदर भाई-बहन के लगातार 20 से अधिक पीढ़ियों तक अंतःप्रजनन (Brother-sister mating) द्वारा विश्व की पहली आनुवंशिक रूप से समरूप चूहे की अंतःप्रजात वंशक्रम (Inbred strain — DBA एवं बाद में C57BL/6) विकसित की।

5.2 जैविक, प्रजनन एवं जीनोमिक विशेषताएँ

1. स्तनधारियों में तीव्रतम प्रजनन: बड़े पशुओं (गाय, भैंस, भेड़) या मनुष्य की तुलना में चूहे का जीवन चक्र अत्यंत छोटा होता है। इसकी गर्भावधि (Gestation period) मात्र 19 से 21 दिन होती है, एक बार में मादा 6 से 12 बच्चे (Litter size) देती है, और जन्म के $6\text{–}8\text{ सप्ताह}$ में ही नई पीढ़ी प्रजनन योग्य हो जाती है (पीढ़ी अंतराल $\approx 9\text{–}10\text{ सप्ताह}$)।
2. गुणसूत्र संघटन: घरेलू चूहे में द्विगुणित गुणसूत्र संख्या $2n = 40$ (20 जोड़ी गुणसूत्र: 19 जोड़ी अलिंग गुणसूत्र + $XX/XY$ लिंग गुणसूत्र) होती है। इसकी एक अनूठी कोशिका-आनुवंशिक विशेषता यह है कि इसके सभी 40 गुणसूत्र अंतकेंद्री (Telocentric / Acrocentric) होते हैं।
3. जीनोम अनुक्रमण एवं मानव से समजातता: दिसंबर 2002 में Mouse Genome Sequencing Consortium द्वारा C57BL/6J चूहे के संपूर्ण जीनोम का अनुक्रमण किया गया। इसका अगुणित जीनोम आकार लगभग $2.7\text{ Gb}$ ($2,700\text{ Mb}$) है जिसमें लगभग $21,000\text{–}22,000$ प्रोटीन-कोडिंग जीन हैं। मानव और चूहे के लगभग $99\%$ जीन समजात (Orthologous/Homologous) हैं तथा दोनों के गुणसूत्र खंडों में उच्च सह-रेखीयता (Synteny) पाई जाती है।

5.3 आनुवंशिकी, जैव-प्रौद्योगिकी एवं पशु विज्ञान में चूहे का योगदान

• नॉकआउट एवं ट्रांसजेनिक माउस तकनीक (Knockout & Transgenic Mice — Capecchi, Evans & Smithies, 2007 Nobel Prize): भ्रूणीय स्तंभ कोशिकाओं (Embryonic Stem Cells — ES cells) और समजात पुनर्योजन (Homologous recombination) की सहायता से वैज्ञानिक चूहे के किसी भी विशिष्ट जीन को निष्क्रिय (Knockout) करके यह पता लगा सकते हैं कि वह जीन शरीर में क्या कार्य करता है।
• मोनोक्लोनल एंटीबॉडी उत्पादन (Hybridoma Technology — Köhler & Milstein, 1975 — 1984 Nobel): चूहे की प्लीहा (Spleen) की B-लिम्फोसाइट कोशिकाओं और मायलोमा कोशिकाओं के संलयन से मोनोक्लोनल एंटीबॉडी बनाई जाती हैं, जिनका उपयोग पादप विषाणुओं और पशु रोगों के निदान (ELISA किट) में होता है।
• डीएनए आनुवंशिक पदार्थ का प्रथम संकेत (Griffith’s Transformation Experiment, 1928): फ्रेडरिक ग्रिफिथ ने चूहों पर Streptococcus pneumoniae (R-प्रभेद एवं ताप-मृत S-प्रभेद) का इंजेक्शन लगाकर ही ‘रूपांतरण सिद्धांत’ (Transforming Principle) की खोज की थी।
• पशु प्रजनन एवं टीका परीक्षण (Livestock Genetics & Vaccine Testing): दुधारू पशुओं में मात्रात्मक लक्षणों (QTLs), प्रतिरक्षा तंत्र, कैंसर (Oncogenes) और पशु टीकों के सुरक्षा परीक्षण हेतु चूहा प्राथमिक स्तनधारी मॉडल है।

सारणी 2.1: पाँचों मॉडल जीवों का संपूर्ण तुलनात्मक विवरण (परीक्षा हेतु अत्यंत महत्त्वपूर्ण)

1. राजस्थान की प्रमुख तिलहनी फसल सरसों (Brassica juncea) के सुधार में Arabidopsis का उपयोग: भारत में राजस्थान राई एवं सरसों (Indian Mustard — Brassica juncea, $2n=4x=36$) के उत्पादन में प्रथम स्थान पर है। चूँकि Arabidopsis thaliana और सरसों दोनों एक ही कुल ब्रैसिकेसी (Brassicaceae) के सदस्य हैं, इसलिए दोनों के जीनोम में उच्च स्तर की जीनोमिक सह-रेखीयता (Synteny and Collinearity) पाई जाती है। Arabidopsis में खोजे गए लवण एवं सूखा सहिष्णु जीन (जैसे AtDREB1A, SOS1), फली चटकने से रोकने वाले जीन (Pod shattering resistance — SHP1/SHP2, IND) और तेल संश्लेषण जीन (FAD2) का उपयोग सीधे भारतीय सरसों की किस्मों को सुधारने में किया जा रहा है।
2. दलहनी फसलों में उद्यान मटर (Pisum sativum) के आनुवंशिक मॉडल का उपयोग: मटर में खोजे गए afila (af) जीन के प्रयोग से भारत में ‘अपर्णा’ (HFP-4), ‘उत्तरा’ और ‘पंत मटर-155’ जैसी अर्ध-पर्णरहित (Semi-leafless) एवं बौनी किस्में विकसित की गईं जो सिंचाई के बाद खेत में गिरती (Lodge) नहीं हैं। इसके अलावा मटर के जीनोम की सहायता से चना (Cicer arietinum) और मसूर (Lens culinaris) में उकठा (Wilt) व एस्कोकाइटा अंगमारी प्रतिरोधी जीनों की पहचान की गई है।
3. कृषि जैव-प्रौद्योगिकी में E. coli का उपयोग: बीटी कपास (Bt Cotton — cry1Ac / cry2Ab जीन) या डीएमएच-11 (DMH-11 ट्रांसजेनिक सरसों — barnase-barstar तंत्र) के विकास में वांछित जीन की क्लोनिंग और बहुगुणन (Amplification in plasmids like pBR322, pUC19) सबसे पहले प्रयोगशाला में Escherichia coli के भीतर ही किया जाता है, जिसके बाद उसे Agrobacterium के माध्यम से फसल में स्थानांतरित किया जाता है।
4. कृषि कीट नियंत्रण (SIT — Sterile Insect Technique) में Drosophila एवं मुलर के प्रयोगों का अनुप्रयोग: एच.जे. मुलर द्वारा Drosophila में खोजी गई विकिरण-प्रेरित बंध्यता (Radiation-induced sterility) के सिद्धांत का उपयोग आज फल मक्खियों (Bactrocera dorsalis) और गुलाबी सुंडी के जैविक नियंत्रण हेतु ‘बंध्य कीट तकनीक’ (Sterile Insect Technique) में किया जाता है।

प्रत्येक प्रश्न का सही उत्तर और उसकी वैज्ञानिक व्याख्या देखने के लिए “उत्तर एवं व्याख्या देखें” पर क्लिक करें:

B. रिक्त स्थानों की पूर्ति कीजिए (Fill in the Blanks — 10 Questions)

1. Drosophila melanogaster को आनुवंशिकी में इसके अत्यधिक योगदान के कारण ________ ऑफ जेनेटिक्स कहा जाता है।
2. थेल क्रेस (Arabidopsis thaliana) में द्विगुणित गुणसूत्र संख्या ($2n$) ________ तथा अगुणित जीनोम आकार लगभग ________ होता है।
3. नर Drosophila के अग्र पादों के प्रथम टार्सल खंड पर पाई जाने वाली शूक-सदृश संरचना को ________ कहते हैं।
4. कोलंबिया विश्वविद्यालय में टी.एच. मॉर्गन की प्रसिद्ध ड्रोसोफिला प्रयोगशाला को ________ के नाम से जाना जाता था।
5. Escherichia coli जीवाणु की खोज वर्ष 1885 में ________ नामक वैज्ञानिक ने की थी।
6. $37^\circ\text{C}$ के अनुकूल तापमान पर E. coli जीवाणु का द्विभाजन काल (Generation time) मात्र ________ मिनट होता है।
7. घरेलू चूहे (Mus musculus) में द्विगुणित गुणसूत्र संख्या ($2n$) ________ तथा इसकी गर्भावधि (Gestation period) ________ दिन होती है।
8. उद्यान मटर (Pisum sativum) के जीनोम का आकार लगभग ________ है, जिसका लगभग $85\%$ भाग पुनरावर्ती ट्रांसपोजोन से बना है।
9. Arabidopsis thaliana की फली को वनस्पति विज्ञान में ________ कहा जाता है।
10. जीवाणुओं में मुख्य गुणसूत्र के अतिरिक्त पाए जाने वाले छोटे वृत्ताकार DNA अणुओं के लिए ‘प्लाज्मिड’ (Plasmid) शब्द वर्ष 1952 में ________ ने दिया था।

C. अति लघु उत्तरीय प्रश्न (Very Short Answer Questions — 10 Questions with Model Answers)

1. मॉडल जीव (Model Organism) से आप क्या समझते हैं?
   उत्तर: वह गैर-मानव प्रजाति जिसका प्रयोगशाला में प्रजनन व संवर्धन सरल हो और जिसका उपयोग मूलभूत आनुवंशिक एवं जैविक प्रक्रियाओं को समझने के लिए प्रतिनिधि जीव के रूप में किया जाता है, मॉडल जीव कहलाती है।
2. पाठ्यक्रम में सम्मिलित पाँचों मॉडल जीवों के वैज्ञानिक नाम और उनकी गुणसूत्र संख्या ($2n$) लिखिए।
   उत्तर: (1) Drosophila melanogaster ($2n=8$), (2) Arabidopsis thaliana ($2n=10$), (3) Pisum sativum ($2n=14$), (4) Escherichia coli ($n=1$, अगुणित), तथा (5) Mus musculus ($2n=40$)।
3. Drosophila में कायांतरण की चारों अवस्थाओं के नाम लिखिए।
   उत्तर: अंडा (Egg) $\rightarrow$ लार्वा (Larva: 1st, 2nd & 3rd instar) $\rightarrow$ प्यूपा (Pupa) $\rightarrow$ वयस्क (Adult / Imago)।
4. ऑक्सोट्रॉफ (Auxotroph) किसे कहते हैं?
   उत्तर: सूक्ष्मजीवों (जैसे E. coli) का ऐसा उत्परिवर्ती प्रभेद जो किसी आवश्यक पोषक तत्व (अमीनो अम्ल या विटामिन) का स्वयं संश्लेषण नहीं कर पाता और वृद्धि के लिए माध्यम में उस पोषक तत्व की बाह्य आपूर्ति पर निर्भर रहता है, ऑक्सोट्रॉफ कहलाता है।
5. फ्लोरल डिप विधि (Floral Dip Method) किस पौधे में और किस उद्देश्य के लिए प्रयुक्त होती है?
   उत्तर: यह विधि Arabidopsis thaliana में बिना ऊतक संवर्धन के Agrobacterium tumefaciens की सहायता से ट्रांसजेनिक (जीन-रूपांतरित) बीज प्राप्त करने के लिए प्रयुक्त होती है।
6. उद्यान मटर में प्राकृतिक रूप से स्व-परागण होने का मुख्य पुष्पीय कारण क्या है?
   उत्तर: मटर के पुष्प द्विलिंगी और अनुन्मील्य परागणी (Cleistogamous — वेक्सिलरी दलपुंज के ‘कील’ द्वारा पुंकेसर व स्त्रीकेसर ढके हुए) होते हैं, जिनमें कली खुलने से पहले ही परागण हो जाता है।
7. घरेलू चूहे (Mus musculus) के किन्हीं दो प्रसिद्ध अंतःप्रजात प्रभेदों (Inbred strains) के नाम लिखिए।
   उत्तर: (1) DBA (Dilute, Brown, Non-agouti — C.C. Little द्वारा निर्मित प्रथम स्ट्रेन), तथा (2) C57BL/6 (Black 6 — जिसका जीनोम 2002 में अनुक्रमित हुआ)।
8. जीनोमिक सह-रेखीयता (Synteny) क्या है?
   उत्तर: दो विकासवादी रूप से संबंधित प्रजातियों (जैसे Arabidopsis और सरसों) के गुणसूत्र खंडों पर समजात जीनों के समान अनुक्रम में स्थित होने को सह-रेखीयता (Synteny/Collinearity) कहते हैं।
9. नॉकआउट माउस (Knockout Mouse) क्या होता है?
   उत्तर: आनुवंशिक अभियांत्रिकी (Homologous recombination in ES cells) द्वारा तैयार किया गया ऐसा चूहा जिसमें किसी विशिष्ट लक्षित जीन को निष्क्रिय कर दिया गया हो ताकि उस जीन के सामान्य कार्य का अध्ययन किया जा सके।
10. E. coli के प्रजनन और आनुवंशिक अभियांत्रिकी में प्रयुक्त दो प्रमुख प्लाज्मिडों के नाम लिखिए।
    उत्तर: प्राकृतिक प्लाज्मिड: $F$-प्लाज्मिड (Fertility factor) व $R$-प्लाज्मिड; तथा कृत्रिम क्लोनिंग वाहक: pBR322 एवं pUC19।

D. लघु उत्तरीय प्रश्न (Short Answer Questions — 8 Questions, 2–5 Marks)

E. अंतर स्पष्ट कीजिए (Differentiate Between — 4 Comparison Tables)

1. नर ड्रोसोफिला (Male Drosophila) बनाम मादा ड्रोसोफिला (Female Drosophila)

2. थेल क्रेस (Arabidopsis thaliana) बनाम उद्यान मटर (Pisum sativum)

3. प्रोकैरियोटिक मॉडल (Escherichia coli) बनाम यूकैरियोटिक पादप/जंतु मॉडल (Drosophila / Mouse)

4. फल मक्खी (Drosophila melanogaster) बनाम घरेलू चूहा (Mus musculus)

F. टिप्पणी / व्याख्या कीजिए (Explain / Describe Questions — 5 Questions)

1. Drosophila में लार ग्रंथि के पॉलीटीन गुणसूत्र एवं उनका आनुवंशिक महत्त्व: (तृतीय इंस्टार लार्वा में एंडोमाइटोसिस द्वारा बनने वाले बैंड्स और बाल्बियानी रिंग्स/पफ्स की भूमिका स्पष्ट करें।)
2. Arabidopsis thaliana में ‘फ्लोरल डिप’ (Floral Dip) जीन रूपांतरण विधि: (Clough & Bent, 1998 की विधि और ऊतक संवर्धन-मुक्त ट्रांसजेनिक बीज उत्पादन के लाभ लिखें।)
3. Escherichia coli में प्लाज्मिड एवं परालैंगिक प्रजनन (संयुग्मन): ($F$-प्लाज्मिड, $F^+ \times F^-$ एवं $Hfr$ स्ट्रेन द्वारा जीन स्थानांतरण और क्लोनिंग वाहक के रूप में उपयोग समझाएँ।)
4. घरेलू चूहे (Mus musculus) में अंतःप्रजात वंशक्रम (Inbred strains) एवं नॉकआउट तकनीक: (C.C. Little के 20 पीढ़ियों के भाई-बहन संगम और ES कोशिकाओं द्वारा जीन टार्गेटिंग की व्याख्या करें।)
5. उद्यान मटर (Pisum sativum) में afila उत्परिवर्ती और दलहन प्रजनन में इसका उपयोग: (पर्णकों के प्रतान में बदलने से लॉजिंग प्रतिरोध और भारतीय किस्म ‘अपर्णा’ का उदाहरण दें।)

G. दीर्घ उत्तरीय प्रश्न (Long Answer Questions — 5 Questions, 8–15 Marks)

1. [अति लघु प्रश्न / 1 अंक पैटर्न]: Drosophila melanogaster, Arabidopsis thaliana, Pisum sativum और Mus musculus में द्विगुणित गुणसूत्र संख्या ($2n$) तथा सहलग्नता समूहों ($n$) की संख्या लिखिए।
2. [लघु टिप्पणी / 3 अंक पैटर्न]: Arabidopsis thaliana को पादप आनुवंशिकी के अध्ययन के लिए एक आदर्श मॉडल पौधा क्यों माना जाता है? इसके कोई पाँच कारण लिखिए।
3. [अंतर स्पष्ट कीजिए / 4 अंक पैटर्न]: नर एवं मादा Drosophila melanogaster में चार प्रमुख आकारिकी एवं आनुवंशिक अंतर लिखिए।
4. [व्याख्यात्मक प्रश्न / 5 अंक पैटर्न]: आणविक आनुवंशिकी (Molecular Genetics) में Escherichia coli के महत्त्व को स्पष्ट कीजिए तथा इसमें की गई किन्हीं चार ऐतिहासिक खोजों का वर्णन कीजिए।
5. [निबंधात्मक प्रश्न / 10 अंक पैटर्न]: मॉडल जीव क्या हैं? Drosophila, Arabidopsis, उद्यान मटर, E. coli और घरेलू चूहे की जैविक विशेषताओं, जीनोम संगठन और आनुवंशिकी में उनके विशिष्ट योगदानों का सविस्तार वर्णन कीजिए।