Principles of Inheritance and Variation

आनुवंशिकी के जनक ग्रेगर जोहान मेंडल (1822–1884) ने 1856 से 1863 के मध्य ऑस्ट्रिया के ब्रुन स्थित मठ में उद्यान मटर (Pisum sativum) पर ऐतिहासिक संकरण प्रयोग किए। मेंडल की अभूतपूर्व सफलता का मुख्य आधार उनका सांख्यिकीय विश्लेषण, बड़ा नमूना आकार तथा मटर के पौधे की अद्वितीय विशेषताएँ थीं:

• 7 जोड़ी स्पष्ट विपर्यासी (Contrasting) लक्षण: सरलता से पहचाने जाने वाले प्रभावी एवं अप्रभावी रूप:
  • तने की लंबाई: लंबा (प्रभावी, $T$) बनाम बौना (अप्रभावी, $t$)
  • पुष्प का रंग: बैंगनी (प्रभावी, $W$) बनाम श्वेत (अप्रभावी, $w$)
  • पुष्प की स्थिति: कक्षीय (प्रभावी, $A$) बनाम अंत्य (अप्रभावी, $a$)
  • फली का आकार: फूली हुई/स्फीत (प्रभावी, $I$) बनाम संकीर्णित/खांचदार (अप्रभावी, $i$)
  • फली का रंग: हरा (प्रभावी, $G$) बनाम पीला (अप्रभावी, $g$)
  • बीज का आकार: गोल (प्रभावी, $R$) बनाम झुर्रीदार (अप्रभावी, $r$)
  • बीजपत्र का रंग: पीला (प्रभावी, $Y$) बनाम हरा (अप्रभावी, $y$)
• द्विलिंगी एवं स्व-परागित पुष्प: प्राकृतिक रूप से स्व-परागित होने के कारण समयुग्मजी शुद्ध वंशक्रम (Pure breeding lines) सुलभता से उपलब्ध होते हैं; विपुंसन (Emasculation) और थैलीकरण (Bagging) द्वारा कृत्रिम पर-परागण अत्यंत सुगम होता है।
• संक्षिप्त जीवन चक्र एवं प्रचुर संतति: 3–4 माह का छोटा जीवन काल तथा प्रत्येक फली में अनेक बीजों की उत्पत्ति, जिससे कम समय में कई पीढ़ियों का सांख्यिकीय अध्ययन संभव हुआ।

एक ही लक्षण के दो विपर्यासी रूपों वाले जनकों के मध्य संकरण को एकसंकर क्रॉस (Monohybrid Cross) कहते हैं। शुद्ध लंबे ($TT$) तथा शुद्ध बौने ($tt$) पौधों के मध्य संकरण:

• प्रथम संतति पीढ़ी ($F_1$): सभी संततियाँ बाह्य रूप से लंबी किंतु आनुवंशिक रूप से विषमयुग्मजी ($Tt$) होती हैं। लक्षणों का कोई सम्मिश्रण (Blending) नहीं होता।
• द्वितीय संतति पीढ़ी ($F_2$ - स्व-परागण $Tt imes Tt$):
  • लक्षणप्ररूपी (Phenotypic) अनुपात: $3 ext{ लंबा} : 1 ext{ बौना}$ ($3:1$)
  • जीनप्ररूपी (Genotypic) अनुपात: $1 ext{ शुद्ध लंबा }(TT) : 2 ext{ संकर लंबा }(Tt) : 1 ext{ शुद्ध बौना }(tt)$ ($1:2:1$)

दो जोड़ी विपर्यासी लक्षणों की वंशागति के अध्ययन को द्विसंकर क्रॉस (Dihybrid Cross) कहते हैं (उदा. गोल-पीले बीज $RRYY imes$ झुर्रीदार-हरे बीज $rryy$)। $F_1$ संकर $RrYy$ (गोल-पीला) होता है। इसके स्व-परागण से पुनेट वर्ग में 16 युग्मनज संयोजन प्राप्त होते हैं:

• $F_2$ लक्षणप्ररूपी अनुपात: $9 ext{ गोल-पीला} : 3 ext{ गोल-हरा} : 3 ext{ झुर्रीदार-पीला} : 1 ext{ झुर्रीदार-हरा}$ ($9:3:3:1$)।
• $F_2$ जीनप्ररूपी अनुपात: $1:2:1:2:4:2:1:2:1$ (जो $(1:2:1) imes (1:2:1)$ का गुणनफल है)।
• स्वतंत्र अपव्यूहन का नियम (Law of Independent Assortment): जब किसी संकर में लक्षणों के दो या अधिक जोड़े संयोजित होते हैं, तो किसी एक जोड़े का विसंयोजन दूसरे जोड़े से पूर्णतः स्वतंत्र होता है। सीमा: यह नियम केवल तभी सत्य है जब जीन भिन्न-भिन्न गुणसूत्रों पर हों; जीन सहलग्नता (Linkage) की स्थिति में यह नियम अमान्य हो जाता है।

प्रतीप संकरण (Back Cross): $F_1$ संतति का संकरण किसी भी जनक (प्रभावी अथवा अप्रभावी) से कराना प्रतीप संकरण कहलाता है।
परीक्षार्थ संकरण (Test Cross): किसी अज्ञात जीनप्ररूप वाले प्रभावी लक्षणप्ररूपी जीव का संकरण उसके समयुग्मजी अप्रभावी जनक से कराना परीक्षार्थ संकरण कहलाता है, ताकि यह ज्ञात हो सके कि वह समयुग्मजी (शुद्ध) है अथवा विषमयुग्मजी (संकर)।

• एकसंकर टेस्ट क्रॉस अनुपात: $Tt imes tt o 1 ext{ लंबा }(Tt) : 1 ext{ बौना }(tt)$ ($1:1$ अनुपात)। यदि सभी संततियाँ लंबी होतीं, तो अज्ञात जनक शुद्ध लंबा ($TT$) होता।
• द्विसंकर टेस्ट क्रॉस अनुपात: $RrYy imes rryy o 1:1:1:1$ (गोल-पीला : गोल-हरा : झुर्रीदार-पीला : झुर्रीदार-हरा)।
• मूल सिद्धांत: "सभी परीक्षार्थ संकरण प्रतीप संकरण होते हैं, किंतु सभी प्रतीप संकरण परीक्षार्थ संकरण नहीं होते।"

जब विषमयुग्मजी अवस्था में दोनों एलीलों में से कोई भी एक-दूसरे पर पूर्णतः प्रभावी नहीं होता और दोनों के प्रभाव से एक मध्यवर्ती (Intermediate) लक्षणप्ररूप प्रकट होता है, तो इसे अपूर्ण प्रभाविता कहते हैं। कार्ल कोरेंस ने 1903 में श्वान पुष्प / स्नैपड्रैगन (Antirrhinum majus) एवं 4 ओ'क्लॉक पादप (Mirabilis jalapa) में इसकी खोज की:

• शुद्ध लाल पुष्प ($RR$) $ imes$ शुद्ध श्वेत पुष्प ($rr$) के संकरण से $F_1$ में संकर गुलाबी पुष्प ($Rr$) प्राप्त होते हैं।
• $F_2$ पीढ़ी में ($Rr imes Rr$): लक्षणप्ररूपी एवं जीनप्ररूपी अनुपात सर्वथा समान होते हैं: $1 ext{ लाल }(RR) : 2 ext{ गुलाबी }(Rr) : 1 ext{ श्वेत }(rr)$ अर्थात् $1:2:1$।
• आणविक कारण: $R$ एलील पूर्ण मात्रा में एंजाइम बनाकर लाल एंथोसायनिन वर्णक बनाता है, किंतु विषमयुग्मजी ($Rr$) में केवल आधा वर्णक बनने से पुष्प गुलाबी दिखाई देता है। एलीलों का भौतिक सम्मिश्रण नहीं होता, क्योंकि $F_2$ में शुद्ध लाल व श्वेत पुनः पृथक हो जाते हैं।

विषमयुग्मजी अवस्था में जब किसी जीन के दोनों एलील बिना किसी सम्मिश्रण के स्वतंत्र रूप से तथा समान सामर्थ्य से अपना-अपना लक्षणप्ररूप एक साथ अभिव्यक्त करते हैं, तो इसे सह-प्रभाविता कहते हैं।

• मानव ABO रुधिर वर्ग का AB वर्ग: RBC की सतह पर $I^A$ एलील 'A' शर्करा प्रतिजन बनाता है तथा $I^B$ एलील 'B' शर्करा प्रतिजन बनाता है। विषमयुग्मजी ($I^A I^B$) व्यक्ति में दोनों प्रतिजन पूर्णतः और स्वतंत्र रूप से उपस्थित होते हैं, जिससे रुधिर वर्ग $AB$ बनता है।
• मवेशियों में चितकबरा (Roan) रंग: लाल रंग ($C^R C^R$) और श्वेत रंग ($C^W C^W$) के मवेशियों के संकरण से उत्पन्न संतति ($C^R C^W$) की त्वचा पर लाल और श्वेत दोनों प्रकार के बाल समान रूप से पाए जाते हैं।

जब समजात गुणसूत्रों के एक ही लोकस (Locus) पर किसी लक्षण को नियंत्रित करने वाले दो से अधिक वैकल्पिक एलील उपस्थित होते हैं, तो इसे बहुविकल्पता (Multiple Alleles) कहते हैं। कार्ल लैंडस्टीनर ने 1900 में ABO रुधिर वर्ग की खोज की, जो 9वें गुणसूत्र पर स्थित 'I' (आइसोएग्लूटिनोजेन) जीन द्वारा नियंत्रित होता है। इसके तीन एलील हैं: $I^A$, $I^B$ तथा $i$ ($I^O$):

• $I^A$ और $I^B$ दोनों अप्रभावी एलील $i$ पर पूर्णतः प्रभावी हैं, किंतु आपस में सह-प्रभावी हैं।
• $n$ एलीलों के लिए संभावित जीनप्ररूपों की कुल संख्या = $rac{n(n+1)}{2}$। यहाँ $n=3$ होने पर कुल जीनप्ररूप = $rac{3(3+1)}{2} = 6$ होते हैं, जो 4 लक्षणप्ररूप उत्पन्न करते हैं।

सामान्यतः एक जीन एक ही लक्षण को नियंत्रित करता है। किंतु जब एक एकल जीन एक से अधिक असंबंधित लक्षणप्ररूपी प्रभावों को एक साथ नियंत्रित करता है, तो ऐसे जीन को बहुप्रभावी (Pleiotropic) जीन तथा इस परिघटना को बहुप्रभाविता कहते हैं।

• फेनिलकेटोन्यूरिया (Phenylketonuria - PKU): 12वें गुणसूत्र पर स्थित PAH जीन के उत्परिवर्तन से यकृत में फेनिलएलानिन हाइड्रॉक्सिलेज एंजाइम की कमी हो जाती है। इसके परिणामस्वरूप फेनिलएलानिन फेनिलपाइरुविक अम्ल में बदलता है। इस एक जीन के दोष से अनेक लक्षण प्रकट होते हैं: (1) गंभीर मानसिक मंदता, (2) त्वचा एवं आँखों में रंजकता की कमी, (3) असामान्य बाल एवं मूत्र में अम्लों का उत्सर्जन।
• मटर में स्टार्च संश्लेषण एवं बीज का आकार: $B$ एलील स्टार्च संश्लेषण को नियंत्रित करता है। $BB$ पौधे बड़े स्टार्च कण और गोल बीज बनाते हैं; $bb$ पौधे छोटे स्टार्च कण और झुर्रीदार बीज बनाते हैं। विषमयुग्मजी $Bb$ पौधे गोल बीज बनाते हैं किंतु उनके स्टार्च कण मध्यवर्ती आकार के होते हैं—यह एक साथ बहुप्रभाविता और अपूर्ण प्रभाविता दोनों को दर्शाता है।
• सिकल सेल एनीमिया: $Hb^S$ एलील RBC को दरांती का आकार देने के साथ-साथ प्लीहा की क्षति, गंभीर दर्द, एनीमिया और मलेरिया प्रतिरोधी क्षमता उत्पन्न करता है।

जब कोई एक मात्रात्मक या परिमाणात्मक लक्षण (Quantitative trait) दो या दो से अधिक स्वतंत्र जीनों द्वारा नियंत्रित होता है और प्रत्येक प्रभावी एलील लक्षण पर संचयी (Additive / Cumulative) प्रभाव डालता है, तो इसे बहुजीनी वंशागति कहते हैं। इसमें स्पष्ट श्रेणियाँ न होकर सतत विभिन्नता (Continuous Variation) दिखाई देती है, जो एक घंटी के आकार का वक्र (Bell-shaped curve) बनाती है।

• मानव त्वचा का रंग (Human Skin Color): सी. बी. डेवनपोर्ट (1913) के अनुसार मानव त्वचा में मेलेनिन की मात्रा 3 जोड़ी स्वतंत्र जीनों ($A, B, C$) द्वारा नियंत्रित होती है:
  • अत्यधिक गहरा काला (Very Dark): $AABBCC$ (6 प्रभावी एलील)।
  • अत्यधिक गोरा/श्वेत (Very Light): $aabbcc$ (0 प्रभावी एलील)।
  • मध्यवर्ती संकर मुलाटो (Mulatto): $AaBbCc$ (3 प्रभावी एलील)।
• $AaBbCc imes AaBbCc$ संकरण से $F_2$ में कुल 64 संयोजन एवं $2n + 1 = 2(3) + 1 = 7$ भिन्न लक्षणप्ररूप प्राप्त होते हैं:
  लक्षणप्ररूपी अनुपात: $1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1$ (अति गहरे से लेकर अति गोरे तक)।
• अन्य उदाहरण: मानव लंबाई, बौद्धिक स्तर (IQ), गेहूँ के दानों का रंग (निल्सन-एहले द्वारा खोजा गया)।

वाल्टर सटन एवं थियोडोर बोवेरी ने प्रतिपादित किया कि अर्धसूत्री विभाजन के दौरान गुणसूत्रों का व्यवहार मेंडल के 'कारकों' (जीनों) के व्यवहार के पूर्णतः समानांतर होता है। गुणसूत्र ही मेंडेलियन वंशागति के वास्तविक भौतिक वाहक हैं:

• द्विगुणित कोशिकाओं में जीन एवं गुणसूत्र दोनों जोड़ों में उपस्थित होते हैं (समजात गुणसूत्र एवं एलील युग्म)।
• अर्धसूत्री विभाजन-I की पश्चावस्था में समजात गुणसूत्र पृथक होते हैं, जिसके साथ ही एलील युग्म भी विसंयोजित होकर भिन्न-भिन्न युग्मकों में चले जाते हैं।
• विभिन्न गुणसूत्र जोड़े मध्यावस्था पट्टिका पर स्वतंत्र रूप से व्यवस्थित होते हैं, जो मेंडल के स्वतंत्र अपव्यूहन नियम का भौतिक आधार प्रस्तुत करता है।

थॉमस हंट मॉर्गन ('प्रायोगिक आनुवंशिकी के जनक') ने फल मक्खी (Drosophila melanogaster) पर प्रयोग कर सिद्ध किया कि स्वतंत्र अपव्यूहन नियम सार्वभौमिक नहीं है।

• ड्रोसोफिला के चयन के वैज्ञानिक कारण: (1) प्रयोगशाला में सरल कृत्रिम माध्यम पर संवर्धन, (2) केवल 10–14 दिन (लगभग 2 सप्ताह) का छोटा जीवन चक्र, (3) एक ही मैथुन से सैकड़ों संततियों की प्राप्ति, (4) स्पष्ट लैंगिक द्विरूपता (मादा बड़ी; नर छोटा व अग्र पादों पर सेक्स-कॉम्ब युक्त), (5) केवल 4 जोड़ी गुणसूत्र ($2n = 8$), तथा (6) संयुक्त सूक्ष्मदर्शी से सरलता से दिखने वाली अनेक आनुवंशिक विभिन्नताएँ।
• सहलग्नता (Linkage): एक ही गुणसूत्र पर स्थित जीनों का अर्धसूत्री विभाजन के समय पृथक हुए बिना एक साथ अगली पीढ़ी में वंशागत होने की भौतिक प्रवृत्ति को सहलग्नता कहते हैं।
  • पूर्ण सहलग्नता (Complete Linkage): अत्यंत निकटवर्ती जीनों में क्रॉसिंग ओवर शून्य होता है, जिससे 100% जनकीय संयोजन प्राप्त होते हैं (उदा. नर ड्रोसोफिला में पूर्ण सहलग्नता)।
  • अपूर्ण सहलग्नता (Incomplete Linkage): जीनों के मध्य पर्याप्त दूरी होने पर क्रॉसिंग ओवर के कारण नए पुनर्योजक (Recombinant) संयोजन भी बनते हैं।
• मॉर्गन का ऐतिहासिक द्विसंकर क्रॉस: पीत काय व श्वेत नेत्र ($yw$) वाली मादा का संकरण भूरे काय व लाल नेत्र ($y^+w^+$) वाले वन्य नर से कराने पर $F_2$ में जनकीय संयोजन 98.7% तथा पुनर्योजक केवल 1.3% मिले। इसका कारण यह है कि $y$ और $w$ जीन X गुणसूत्र पर अत्यधिक निकट (Tightly linked) स्थित हैं। इसके विपरीत, श्वेत नेत्र व लघुपंख ($wm$) के मध्य दूरी अधिक होने से पुनर्योजन दर बढ़कर 37.2% हो गई।

मॉर्गन के शिष्य अल्फ्रेड स्टर्टवेंट ने सर्वप्रथम क्रॉसिंग ओवर पुनर्योजन आवृत्ति को गुणसूत्र पर जीनों के मध्य रैखिक दूरी मापने की इकाई के रूप में प्रयुक्त किया।

• 1% पुनर्योजन आवृत्ति = 1 मानचित्र इकाई (1 Map Unit / mu) = 1 सेंटीमॉर्गन (1 Centimorgan / cM)।
• दो जीनों के मध्य दूरी जितनी अधिक होगी, उनके बीच क्रॉसिंग ओवर की संभावना उतनी ही अधिक होगी (दूरी $\propto$ पुनर्योजन आवृत्ति)। अधिकतम सैद्धांतिक पुनर्योजन आवृत्ति 50% हो सकती है।

लिंग निर्धारण के आधार पर जो जीव दो प्रकार के भिन्न लिंग गुणसूत्र अथवा युग्मक बनाते हैं उन्हें विषमयुग्मकी (Heterogametic) तथा जो समान युग्मक बनाते हैं उन्हें समयुग्मकी (Homogametic) कहते हैं:

मधुमक्खी (Apis mellifera) में लिंग का निर्धारण गुणसूत्रों के समुच्चयों (Sets) की संख्या पर आधारित होता है:

• मादा मधुमक्खी (रानी एवं श्रमिक): ये द्विगुणित ($2n = 32$) होती हैं। एक अगुणित अंडाणु ($n = 16$) तथा एक अगुणित शुक्राणु ($n = 16$) के सामान्य निषेचन से उत्पन्न युग्मनज से विकसित होती हैं।
• नर मधुमक्खी (ड्रोन): ये अगुणित ($n = 16$) होते हैं। रानी के अनिषेचित अंडाणु से अनिषेकजनन (Parthenogenesis / Arrhenotoky) द्वारा सीधे नर का विकास होता है।
• नर ड्रोन की वंशागति पहेली: नर अगुणित होने के कारण सूत्री विभाजन (Mitosis) द्वारा शुक्राणु उत्पन्न करते हैं। इसका परिणाम यह है कि: "नर मधुमक्खी का कोई पिता नहीं होता और वह किसी पुत्र का पिता नहीं बन सकता; किंतु उसका नाना होता है और उसका नाती हो सकता है।"

मानव में नियंत्रित संकरण संभव न होने के कारण कई पीढ़ियों के पारिवारिक इतिहास को विशिष्ट प्रतीकों द्वारा निरूपित करके आनुवंशिक लक्षणों का विश्लेषण करना वंशावली विश्लेषण (Pedigree Analysis) कहलाता है।

• मानक प्रतीक: वर्ग = नर; वृत्त = मादा; रंगा हुआ/छायांकित प्रतीक = प्रभावित व्यक्ति; क्षैतिज रेखा = विवाह/मैथुन; ऊर्ध्वाधर रेखा = संतति।
• क्रिस-क्रॉस वंशागति (Criss-Cross Inheritance): X-सहलग्न अप्रभावी जीन (जैसे हीमोफिलिया एवं वर्णांधता) प्रभावित पिता से उसकी सामान्य किंतु वाहक पुत्री के माध्यम से अगली पीढ़ी में नाती में संचरित होते हैं। पिता कभी भी सीधे अपने पुत्र को X-सहलग्न रोग नहीं दे सकता, क्योंकि वह पुत्र को केवल Y गुणसूत्र प्रदान करता है।

एकल जीन में उत्परिवर्तन के कारण उत्पन्न होने वाले विकार जो मेंडेलियन सिद्धांतों के अनुसार संचरित होते हैं:

कोशिका विभाजन की पश्चावस्था में समजात गुणसूत्रों अथवा क्रोमैटिडों का उचित पृथक्करण न हो पाने (अ-विसंयोजन / Non-disjunction) के कारण गुणसूत्रों की संख्या में वृद्धि या कमी को अगुणित-असंतुलन (Aneuploidy) कहते हैं: