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IGNOU BBYET-143 Solved Question Paper PDF
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IGNOU BBYET-143 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
प्रश्न 1. (क) निम्नलिखित पौधों के वानस्पतिक नाम लिखिए : (i) लेवैंट कॉटन/कपास (ii) नारियल (iii) फ्लैक्स/अलसी (iv) टीक/सागौन (v) सर्पगंधा (ख) रिक्त स्थानों को भरिए : (i) पादप कोशिका की वृद्धि और विकास करके एक पूर्ण बहुकोशिकीय पादप में विकसित हो जाने की क्षमता कोशिकीय ___________ कहलाती है। (ii) वंशागत आनुवंशिक विकारों के उपचार के लिए ___________ की तकनीक का उपयोग किया जा सकता है। (iii) ___________ निम्नताप परिरक्षित पादप सामग्रियों में आनुवंशिक स्थायित्व का अध्ययन है। (iv) इंगो पोट्रीकस ने आनुवंशिकत: अभियंत्रित (जेनेटिकली इंजीनियर्ड) उत्पाद ___________ को विकसित किया। (v) ___________ पादपों के उत्पादन के लिए पुंजनन (एंड्रोजेनेसिस) अथवा जायाजनन (गाइनोजेनेसिस) का उपयोग किया जा सकता है।
उत्तर. (क) वानस्पतिक नाम इस प्रकार हैं:
- (i) लेवैंट कॉटन/कपास: गॉसिपियम हर्बेसियम ( Gossypium herbaceum )
- (ii) नारियल: कोकोस न्यूसीफेरा ( Cocos nucifera )
- (iii) फ्लैक्स/अलसी: लिनम यूसिटेटिसिमम ( Linum usitatissimum )
- (iv) टीक/सागौन: टेक्टोना ग्रैंडिस ( Tectona grandis )
- (v) सर्पगंधा: रॉवोल्फिया सर्पेंटीना ( Rauvolfia serpentina )
(ख) भरे हुए रिक्त स्थान:
- (i) पादप कोशिका की वृद्धि और विकास करके एक पूर्ण बहुकोशिकीय पादप में विकसित हो जाने की क्षमता कोशिकीय पूर्णशक्तता (totipotency) कहलाती है।
- (ii) वंशागत आनुवंशिक विकारों के उपचार के लिए जीन चिकित्सा (Gene therapy) की तकनीक का उपयोग किया जा सकता है।
- (iii) आनुवंशिक स्थिरता विश्लेषण (Genetic stability analysis) निम्नताप परिरक्षित पादप सामग्रियों में आनुवंशिक स्थायित्व का अध्ययन है।
- (iv) इंगो पोट्रीकस ने आनुवंशिकत: अभियंत्रित (जेनेटिकली इंजीनियर्ड) उत्पाद सुनहरा चावल (Golden Rice) को विकसित किया।
- (v) अगुणित (haploid) पादपों के उत्पादन के लिए पुंजनन (एंड्रोजेनेसिस) अथवा जायाजनन (गाइनोजेनेसिस) का उपयोग किया जा सकता है।
प्रश्न 2. (क) पादपों के पालतूकरण (डोमेस्टीकेशन) की प्रक्रिया और उसके आनुवंशिक आधार का वर्णन कीजिए। (ख) ‘डोमेस्टीकेशन/पालतूकरण सिण्ड्रोम’ और ‘अन-अभिप्रेत वरण’ पदों को परिभाषित कीजिए।
उत्तर. (क) पादपों के पालतूकरण की प्रक्रिया और आनुवंशिक आधार: पालतूकरण (Domestication) वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा जंगली पौधों की प्रजातियों को मानव प्रबंधन और नियंत्रण के तहत कृषि उपयोग के लिए अनुकूलित किया जाता है। यह एक क्रमिक प्रक्रिया है जो हजारों वर्षों में हुई है। प्रक्रिया:
- प्रारंभिक चरण: प्रारंभिक मानव शिकारी-संग्राहक थे। उन्होंने अपने आस-पास से उपयोगी जंगली पौधों को इकट्ठा करना शुरू किया।
- प्रारंभिक खेती: धीरे-धीरे, उन्होंने इन जंगली पौधों के बीजों को अपने आवासों के पास बोना शुरू कर दिया। इस प्रक्रिया में, उन्होंने अनजाने में उन पौधों का चयन किया जो खेती के लिए बेहतर अनुकूल थे।
- सचेत वरण (Conscious Selection): समय के साथ, किसानों ने वांछनीय लक्षणों, जैसे कि बड़े फल, अधिक उपज, बेहतर स्वाद और आसान कटाई वाले पौधों का जानबूझकर चयन और प्रजनन करना शुरू कर दिया।
आनुवंशिक आधार: पालतूकरण का आधार आनुवंशिक परिवर्तन है। यह निम्नलिखित तंत्रों के माध्यम से होता है:
- उत्परिवर्तन (Mutation): पौधों की आबादी में स्वाभाविक रूप से होने वाले यादृच्छिक उत्परिवर्तन नए लक्षण उत्पन्न करते हैं। यदि कोई उत्परिवर्तन वांछनीय लक्षण प्रदान करता है (जैसे, बीजों का न झड़ना), तो मानव द्वारा इसका चयन किया जाएगा।
- चयन (Selection): मानव लगातार उन पौधों का चयन करते हैं जिनमें वांछनीय एलील होते हैं। यह इन एलीलों की आवृत्ति को आबादी में बढ़ाता है। उदाहरण के लिए, गैर-विघटनकारी (non-shattering) लक्षण, जो अनाज की कटाई को आसान बनाता है, पालतू अनाज में एक सामान्य विशेषता है।
- आनुवंशिक बहाव (Genetic Drift): छोटी संस्थापक आबादी में, कुछ एलील संयोग से स्थिर हो सकते हैं या खो सकते हैं, जो पालतू आबादी की आनुवंशिक संरचना को प्रभावित करता है।
- संकरण (Hybridization): विभिन्न किस्मों या निकट संबंधित प्रजातियों के बीच संकरण से नए जीन संयोजन उत्पन्न हो सकते हैं, जो चयन के लिए नई विविधता प्रदान करते हैं।
(ख) परिभाषाएं:
- पालतूकरण सिंड्रोम (Domestication Syndrome): यह उन लक्षणों के समूह को संदर्भित करता है जो पालतू पौधों को उनके जंगली पूर्वजों से अलग करते हैं। ये लक्षण मानव चयन के परिणामस्वरूप उत्पन्न होते हैं। सामान्य लक्षणों में शामिल हैं:
- बीज प्रकीर्णन तंत्र का क्षय (जैसे, गैर-विघटनकारी फली या बाली)।
- फलों या बीजों का बड़ा आकार।
- प्रसुप्ति (dormancy) का क्षय, जिससे एक समान अंकुरण होता है।
- विषाक्त या रक्षात्मक रासायनिक यौगिकों में कमी।
- जीवन चक्र में परिवर्तन, जैसे वार्षिक आदत की ओर झुकाव।
- अन-अभिप्रेत वरण (Unconscious Selection): यह चयन का एक रूप है जहां मनुष्य किसी विशेष लक्षण के लिए सीधे चयन किए बिना अनजाने में कुछ लक्षणों वाले पौधों का पक्ष लेते हैं। यह उनकी कृषि पद्धतियों का एक अनपेक्षित परिणाम है। उदाहरण के लिए, जब शुरुआती किसान उन पौधों से अनाज इकट्ठा करते थे जिनकी बालियां कटाई के दौरान नहीं टूटती थीं, तो वे अनजाने में ‘गैर-विघटन’ (non-shattering) जीन का चयन कर रहे थे। इसी तरह, सबसे पहले अंकुरित होने वाले बीजों को चुनने से बीज प्रसुप्ति में कमी आई।
प्रश्न 3. (क) फलीदार फसलों (लेग्यूम) के पोषण संबंधी लाभ और स्वास्थ्य के लिए हितों का वर्णन कीजिए। (ख) करक्यूमिन के स्वास्थ्य के लिए क्या विभिन्न लाभ हैं?
उत्तर. (क) लेग्यूम के पोषण संबंधी लाभ और स्वास्थ्य हित: लेग्यूम, जैसे दाल, चना, राजमा, और मटर, फैबेसी (Fabaceae) कुल के पौधे हैं और अपने पोषण संबंधी गुणों के कारण विश्व स्तर पर आहार का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हैं। पोषण संबंधी लाभ:
- प्रोटीन का समृद्ध स्रोत: लेग्यूम पौधे-आधारित प्रोटीन के सर्वोत्तम स्रोतों में से एक हैं, जो उन्हें शाकाहारी और मांसाहारी दोनों के लिए महत्वपूर्ण बनाता है। इनमें आमतौर पर 20-25% प्रोटीन होता है।
- आहारीय फाइबर से भरपूर: इनमें घुलनशील और अघुलनशील दोनों तरह के फाइबर उच्च मात्रा में होते हैं। फाइबर पाचन स्वास्थ्य को बढ़ावा देता है, कब्ज को रोकता है और तृप्ति की भावना को बढ़ाता है।
- खनिज और विटामिन: लेग्यूम आवश्यक खनिजों जैसे आयरन, मैग्नीशियम, पोटेशियम, जिंक और फोलेट (विटामिन B9) के उत्कृष्ट स्रोत हैं। फोलेट कोशिका वृद्धि और चयापचय के लिए महत्वपूर्ण है।
- कम ग्लाइसेमिक इंडेक्स (GI): अधिकांश लेग्यूम का GI कम होता है, जिसका अर्थ है कि वे रक्त शर्करा के स्तर में धीमी और क्रमिक वृद्धि करते हैं, जो मधुमेह के प्रबंधन के लिए फायदेमंद है।
- वसा में कम: वे स्वाभाविक रूप से वसा में कम होते हैं और इनमें कोई कोलेस्ट्रॉल नहीं होता है।
स्वास्थ्य के लिए हित:
- हृदय स्वास्थ्य: लेग्यूम में मौजूद फाइबर, पोटेशियम और फोलेट हृदय स्वास्थ्य में योगदान करते हैं। फाइबर ‘खराब’ एलडीएल कोलेस्ट्रॉल के स्तर को कम करने में मदद करता है, और पोटेशियम रक्तचाप को नियंत्रित करने में मदद करता है।
- मधुमेह प्रबंधन: कम GI और उच्च फाइबर सामग्री रक्त शर्करा के स्तर को स्थिर करने में मदद करती है, जिससे यह टाइप 2 मधुमेह वाले लोगों के लिए एक आदर्श भोजन बन जाता है।
- वजन प्रबंधन: प्रोटीन और फाइबर का संयोजन तृप्ति को बढ़ाता है, जिससे कुल कैलोरी की खपत कम हो सकती है और वजन नियंत्रण में सहायता मिलती है।
- कैंसर का खतरा कम: लेग्यूम में सैपोनिन और पॉलीफेनॉल जैसे एंटीऑक्सीडेंट और फाइटोकेमिकल्स होते हैं, जिनमें कैंसर-रोधी गुण हो सकते हैं।
(ख) करक्यूमिन के स्वास्थ्य लाभ: करक्यूमिन हल्दी ( Curcuma longa ) में पाया जाने वाला मुख्य सक्रिय यौगिक है, जो इसे पीला रंग देता है। यह अपने शक्तिशाली औषधीय गुणों के लिए जाना जाता है। करक्यूमिन के विभिन्न स्वास्थ्य लाभ निम्नलिखित हैं:
- शक्तिशाली शोथरोधी (Anti-inflammatory) गुण: पुरानी सूजन कई बीमारियों की जड़ है। करक्यूमिन एक शक्तिशाली शोथरोधी अणु है जो शरीर में विभिन्न सूजन मार्गों को अवरुद्ध करता है, जिससे यह गठिया जैसी सूजन संबंधी स्थितियों में सहायक होता है।
- मजबूत एंटीऑक्सीडेंट: करक्यूमिन मुक्त कणों (free radicals) को बेअसर कर सकता है और शरीर के अपने एंटीऑक्सीडेंट एंजाइमों की गतिविधि को भी बढ़ा सकता है। यह ऑक्सीडेटिव तनाव से कोशिकाओं की रक्षा करता है।
- मस्तिष्क स्वास्थ्य में सुधार: करक्यूमिन ब्रेन-डिराइव्ड न्यूरोट्रॉफिक फैक्टर (BDNF) के स्तर को बढ़ा सकता है, जो एक प्रकार का वृद्धि हार्मोन है जो मस्तिष्क में कार्य करता है। यह अल्जाइमर रोग जैसी न्यूरोडीजेनेरेटिव बीमारियों को रोकने या देरी करने में मदद कर सकता है।
- हृदय रोग के जोखिम को कम करना: करक्यूमिन एंडोथेलियम (रक्त वाहिकाओं की परत) के कार्य में सुधार करके हृदय स्वास्थ्य को लाभ पहुंचाता है। इसके शोथरोधी और एंटीऑक्सीडेंट प्रभाव भी हृदय की रक्षा करते हैं।
- कैंसर की रोकथाम और उपचार में संभावित भूमिका: अध्ययनों से पता चला है कि करक्यूमिन आणविक स्तर पर कैंसर के विकास, वृद्धि और प्रसार को प्रभावित कर सकता है। यह कैंसर कोशिकाओं के विकास को कम कर सकता है और उनके विनाश में योगदान दे सकता है।
- अवसाद के खिलाफ प्रभावी: कुछ अध्ययनों से पता चलता है कि करक्यूमिन अवसाद के लक्षणों को कम करने में एक प्रभावी एंटीडिप्रेसेंट के रूप में काम कर सकता है, संभवतः सेरोटोनिन और डोपामाइन जैसे न्यूरोट्रांसमीटर को बढ़ाकर।
प्रश्न 4. (क) अंगविकास के विभिन्न चरणों का वर्णन करते हुए उसको नियंत्रित करने वाले विभिन्न कारकों पर चर्चा कीजिए। (ख) सुनामांकित चित्रों की सहायता से प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष भ्रूणजनन (एम्ब्रियोजेनेसिस) के बीच अन्तर बताइए।
उत्तर. (क) अंगविकास (Organogenesis) की प्रक्रिया और नियामक कारक: अंगविकास पादप ऊतक संवर्धन में एक प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक अविभेदित कैलस या एक्सप्लांट से जड़ों, प्ररोहों या फूलों जैसे अंगों का निर्माण और विकास होता है। यह प्रक्रिया पादप वृद्धि नियामकों, विशेष रूप से ऑक्सिन और साइटोकिनिन के संतुलन द्वारा नियंत्रित होती है। अंगविकास के चरण:
- प्रेरण (Induction): एक्सप्लांट (जैसे पत्ती, तना) को एक पोषक माध्यम पर रखा जाता है जिसमें कैलस प्रेरण के लिए ऑक्सिन और साइटोकिनिन होते हैं। कोशिकाएं विभाजित होना शुरू हो जाती हैं और एक अविभेदित कोशिका समूह बनाती हैं जिसे कैलस कहा जाता है।
- अंग विभेदन (Organ Differentiation): कैलस को फिर एक नए माध्यम में स्थानांतरित किया जाता है जिसमें ऑक्सिन और साइटोकिनिन का एक विशिष्ट अनुपात होता है जो अंग निर्माण को बढ़ावा देता है।
- प्ररोहजनन (Caulogenesis): यदि माध्यम में साइटोकिनिन का अनुपात ऑक्सिन से अधिक होता है, तो यह प्ररोह (shoots) के विकास को प्रेरित करता है।
- मूलजनन (Rhizogenesis): यदि माध्यम में ऑक्सिन का अनुपात साइटोकिनिन से अधिक होता है, तो यह जड़ों (roots) के विकास को प्रेरित करता है।
- पूर्ण पादप पुनर्जनन: एक बार जब प्ररोह विकसित हो जाते हैं, तो उन्हें जड़ निर्माण को बढ़ावा देने के लिए एक मूलन माध्यम (rooting medium) में स्थानांतरित किया जाता है। जड़ों के विकसित होने के बाद, पूर्ण पौधा तैयार हो जाता है जिसे मृदा में स्थानांतरित किया जा सकता है।
अंगविकास को नियंत्रित करने वाले कारक:
- पादप वृद्धि नियामक: ऑक्सिन और साइटोकिनिन का अनुपात सबसे महत्वपूर्ण कारक है। जिबरेलिन और एब्सिसिक एसिड जैसे अन्य हार्मोन भी इस प्रक्रिया को प्रभावित कर सकते हैं।
- एक्सप्लांट का स्रोत और जीनोटाइप: पौधे की प्रजाति, किस्म और एक्सप्लांट के प्रकार (जैसे, पत्ती, तना, भ्रूण) का पुनर्जनन क्षमता पर बड़ा प्रभाव पड़ता है।
- संवर्धन की स्थितियाँ: प्रकाश (गुणवत्ता, तीव्रता और अवधि), तापमान और माध्यम का pH पुनर्जनन प्रक्रिया को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं।
- पोषक माध्यम: मैक्रोन्यूट्रिएंट्स, माइक्रोन्यूट्रिएंट्स, विटामिन और शर्करा की संरचना भी अंगविकास के लिए महत्वपूर्ण है।
(ख) प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष भ्रूणजनन में अंतर: कायिक भ्रूणजनन (Somatic embryogenesis) वह प्रक्रिया है जिसमें कायिक कोशिकाओं से द्विध्रुवी संरचनाएं (भ्रूण) बनती हैं जो युग्मकीय भ्रूणों के समान होती हैं। यह दो प्रकार का हो सकता है:
1. प्रत्यक्ष भ्रूणजनन (Direct Embryogenesis): इस प्रक्रिया में, भ्रूण सीधे एक्सप्लांट ऊतक की सतह पर बिना किसी मध्यवर्ती कैलस चरण के बनते हैं। कोशिकाएं सीधे भ्रूणीय विकास पथ में प्रवेश करती हैं।
- लाभ: यह एक तेज़ प्रक्रिया है और सोमाक्लोनल भिन्नता (somaclonal variation) का जोखिम कम होता है क्योंकि कोई असंगठित कैलस चरण नहीं होता है।
- उदाहरण: गाजर में अक्सर देखा जाता है।
2. अप्रत्यक्ष भ्रूणजनन (Indirect Embryogenesis): इस प्रक्रिया में, एक्सप्लांट पहले एक अविभेदित कैलस बनाता है। फिर, इस कैलस को उपयुक्त हार्मोनल परिस्थितियों में भ्रूण बनाने के लिए प्रेरित किया जाता है।
- लाभ: बड़ी संख्या में भ्रूण उत्पन्न किए जा सकते हैं क्योंकि कैलस को बढ़ाया जा सकता है। यह आनुवंशिक परिवर्तन के लिए उपयोगी है।
- हानि: इसमें सोमाक्लोनल भिन्नता का उच्च जोखिम होता है और यह एक लंबी प्रक्रिया है।
सुनामांकित चित्र: (नोट: यहाँ चित्र का शाब्दिक वर्णन दिया गया है।) प्रत्यक्ष भ्रूणजनन का चित्र: एक चित्र जिसमें एक एक्सप्लांट (जैसे, पत्ती का टुकड़ा) दिखाया गया है। एक्सप्लांट की सतह से सीधे छोटे, गोलाकार (globular), हृदय-आकार (heart-shaped) और टॉरपीडो-आकार (torpedo-shaped) के भ्रूण निकलते हुए दिखाए गए हैं। कोई कैलस नहीं दिखाया गया है। लेबल: एक्सप्लांट, गोलाकार भ्रूण, हृदय-आकार भ्रूण, टॉरपीडो-आकार भ्रूण। अप्रत्यक्ष भ्रूणजनन का चित्र: एक चित्र जिसमें एक प्रवाह दिखाया गया है: 1. एक्सप्लांट को पोषक माध्यम पर रखा गया है। 2. एक्सप्लांट से एक अविभेदित कैलस (कोशिकाओं का समूह) विकसित हो रहा है। 3. कैलस की सतह पर गोलाकार, हृदय-आकार और टॉरपीडो-आकार के भ्रूण विकसित हो रहे हैं। लेबल: एक्सप्लांट, कैलस निर्माण, भ्रूणीय कैलस, गोलाकार भ्रूण, हृदय-आकार भ्रूण, टॉरपीडो-आकार भ्रूण। प्रश्न 5. प्रतिबंधन (रेस्ट्रिक्शन) एन्जाइम क्या हैं? उनके प्रकार और अनुप्रयोगों का वर्णन कीजिए।
उत्तर.
प्रतिबंधन एंजाइम (Restriction Enzymes): प्रतिबंधन एंजाइम, जिन्हें प्रतिबंधन एंडोन्यूक्लिएज भी कहा जाता है, ऐसे प्रोटीन हैं जो जीवाणुओं द्वारा उत्पन्न होते हैं। ये एंजाइम डीएनए अणु को विशिष्ट पहचान अनुक्रमों पर या उसके पास से काटते हैं। जीवाणुओं में, वे एक रक्षा तंत्र के रूप में कार्य करते हैं, जो जीवाणुभोजी (bacteriophages) जैसे बाहरी डीएनए को पहचानकर और उसे नष्ट करके कोशिका की रक्षा करते हैं। प्रत्येक प्रतिबंधन एंजाइम एक अद्वितीय और विशिष्ट डीएनए अनुक्रम को पहचानता है, जिसे पहचान स्थल (recognition site) कहा जाता है। यह स्थल आमतौर पर 4-8 बेस पेयर लंबा और पैलिंड्रोमिक होता है (अर्थात, दोनों स्ट्रैंड पर 5′ से 3′ दिशा में पढ़ने पर समान होता है)। प्रतिबंधन एंजाइमों के प्रकार: प्रतिबंधन एंजाइमों को मुख्य रूप से तीन (या चार) प्रकारों में वर्गीकृत किया जाता है:
- प्रकार I (Type I): ये जटिल एंजाइम होते हैं जो अपने पहचान स्थल से दूर एक यादृच्छिक स्थान पर डीएनए को काटते हैं। उन्हें काटने के लिए ATP की आवश्यकता होती है। उनकी अविशिष्ट काटने की प्रकृति के कारण, वे आणविक जीव विज्ञान में उपयोगी नहीं होते हैं।
- प्रकार II (Type II): ये सबसे सरल और सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले प्रतिबंधन एंजाइम हैं। वे अपने पहचान स्थल के भीतर या ठीक उसके पास डीएनए को काटते हैं। उनका काटना बहुत विशिष्ट और पूर्वानुमेय होता है। उन्हें काटने के लिए केवल Mg²⁺ आयनों की आवश्यकता होती है, ATP की नहीं। उदाहरण: Eco RI, Hin dIII, Bam HI । ये एंजाइम या तो ‘चिपचिपे सिरे’ (sticky ends) या ‘कुंद सिरे’ (blunt ends) बना सकते हैं।
- प्रकार III (Type III): ये प्रकार I और प्रकार II के बीच मध्यवर्ती गुण रखते हैं। वे अपने पहचान स्थल के पास एक विशिष्ट दूरी पर डीएनए को काटते हैं। उन्हें भी ATP की आवश्यकता होती है और वे आणविक क्लोनिंग में शायद ही कभी उपयोग किए जाते हैं।
अनुप्रयोग (Applications): प्रकार II प्रतिबंधन एंजाइमों की विशिष्टता ने उन्हें आनुवंशिक इंजीनियरिंग और आणविक जीव विज्ञान में अपरिहार्य उपकरण बना दिया है। इनके मुख्य अनुप्रयोग हैं:
- जीन क्लोनिंग (Gene Cloning): प्रतिबंधन एंजाइमों का उपयोग जीन ऑफ इंटरेस्ट (रुचि के जीन) और एक प्लाज्मिड वेक्टर दोनों को काटने के लिए किया जाता है। समान चिपचिपे सिरे डीएनए लाइगेज एंजाइम द्वारा जीन को वेक्टर में आसानी से जोड़ने की अनुमति देते हैं, जिससे एक पुनर्योगज डीएनए (recombinant DNA) अणु बनता है।
- डीएनए मैपिंग (DNA Mapping): विभिन्न प्रतिबंधन एंजाइमों का उपयोग करके, एक डीएनए अणु पर उनके पहचान स्थलों के क्रम और दूरी का एक नक्शा बनाया जा सकता है। इसे प्रतिबंधन मानचित्र (restriction map) कहा जाता है।
- आनुवंशिक फिंगरप्रिंटिंग (Genetic Fingerprinting): प्रतिबंधन एंजाइमों का उपयोग डीएनए को टुकड़ों में काटने के लिए किया जाता है। व्यक्तियों के बीच डीएनए अनुक्रम में भिन्नता के कारण, इन टुकड़ों की लंबाई अलग-अलग होती है। इस भिन्नता को प्रतिबंधन खंड लंबाई बहुरूपता (Restriction Fragment Length Polymorphism – RFLP) कहा जाता है और इसका उपयोग फोरेंसिक, पितृत्व परीक्षण और जनसंख्या आनुवंशिकी में किया जाता है।
- जीन निदान (Gene Diagnosis): RFLP विश्लेषण का उपयोग आनुवंशिक रोगों से जुड़े उत्परिवर्तनों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है, यदि उत्परिवर्तन किसी प्रतिबंधन स्थल को बदल देता है।
प्रश्न 6. (क) आरेखी चित्र के साथ क्रिस्पर-कैस-9 (CRISPR-Cas-9) प्रौद्योगिकी का वर्णन कीजिए। (ख) क्रिस्पर-कैस-9 (CRISPR-Cas-9) प्रौद्योगिकी के महत्व और सीमाओं का वर्णन कीजिए।
उत्तर. (क) CRISPR-Cas9 प्रौद्योगिकी का वर्णन: CRISPR-Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – Cas9) एक शक्तिशाली जीन-संपादन तकनीक है जो वैज्ञानिकों को जीवों के जीनोम के कुछ हिस्सों को बदलने की अनुमति देती है। यह मूल रूप से जीवाणुओं में एक अनुकूली प्रतिरक्षा प्रणाली है जो वायरस के हमलों से बचाती है। घटक:
- Cas9 एंजाइम: यह एक न्यूक्लिएज है जो ‘आणविक कैंची’ के रूप में कार्य करता है, डीएनए के दोनों स्ट्रैंड को काटता है।
- गाइड RNA (gRNA): यह एक छोटा, संश्लेषित RNA अणु है जिसमें दो भाग होते हैं:
- crRNA (CRISPR RNA): लगभग 20 न्यूक्लियोटाइड का एक अनुक्रम जो जीनोम में लक्ष्य डीएनए अनुक्रम के पूरक होता है। यह Cas9 को सही स्थान पर निर्देशित करता है।
- tracrRNA (trans-activating crRNA): एक पाश संरचना जो crRNA से जुड़ती है और Cas9 एंजाइम को स्थिर करती है और बांधती है।
क्रियाविधि:
- निर्देशन (Targeting): Cas9 एंजाइम gRNA के साथ एक जटिल बनाता है।
- बंधन (Binding): gRNA इस जटिल को कोशिका के जीनोम में एक विशिष्ट स्थान पर निर्देशित करता है, जहाँ gRNA का crRNA भाग लक्ष्य डीएनए अनुक्रम से जुड़ता है।
- काटना (Cleavage): एक बार जब लक्ष्य डीएनए मिल जाता है, तो Cas9 एंजाइम डीएनए के दोनों स्ट्रैंड को काटता है, जिससे एक डबल-स्ट्रैंड ब्रेक (DSB) बनता है।
- मरम्मत (Repair): कोशिका अपने प्राकृतिक डीएनए मरम्मत तंत्र का उपयोग करके इस ब्रेक को ठीक करने का प्रयास करती है:
- गैर-समजातीय सिरा जुड़ाव (NHEJ): यह एक त्रुटि-प्रवण मार्ग है जो अक्सर कटे हुए सिरों को फिर से जोड़ते समय छोटे सम्मिलन या विलोपन (indels) का कारण बनता है। यह प्रभावी रूप से जीन को ‘नॉक आउट’ (निष्क्रिय) कर देता है।
- समरूपता-निर्देशित मरम्मत (HDR): यदि एक डोनर डीएनए टेम्पलेट प्रदान किया जाता है, तो कोशिका इस टेम्पलेट का उपयोग करके ब्रेक की सटीक मरम्मत कर सकती है। इसका उपयोग जीन को ‘नॉक इन’ (सम्मिलित) करने या किसी विशिष्ट उत्परिवर्तन को ठीक करने के लिए किया जा सकता है।
आरेखी चित्र:
(नोट: यहाँ चित्र का शाब्दिक वर्णन दिया गया है।) एक चित्र जिसमें दिखाया गया है: 1. Cas9 प्रोटीन (एक बड़ी, मुड़ी हुई संरचना) और उससे जुड़ा गाइड RNA (gRNA) है। gRNA का एक सिरा (crRNA) खुला है। 2. यह Cas9-gRNA कॉम्प्लेक्स एक डबल-स्ट्रैंडेड डीएनए अणु के पास आता है। 3. gRNA का crRNA हिस्सा डीएनए के एक स्ट्रैंड पर अपने पूरक अनुक्रम से जुड़ता है, जिससे डीएनए खुल जाता है। 4. Cas9 एंजाइम डीएनए के दोनों स्ट्रैंड को काटता है, जिससे एक डबल-स्ट्रैंड ब्रेक बनता है। 5. इस ब्रेक से दो संभावित परिणाम निकलते हैं: (a) NHEJ मार्ग, जो एक निष्क्रिय जीन (नॉकआउट) की ओर ले जाता है, और (b) HDR मार्ग, जो एक डोनर डीएनए टेम्पलेट की उपस्थिति में एक संशोधित या सम्मिलित जीन (नॉक-इन) की ओर ले जाता है।
(ख) CRISPR-Cas9 प्रौद्योगिकी का महत्व और सीमाएं: महत्व:
- उच्च विशिष्टता और दक्षता: यह तकनीक बहुत सटीक है और जीनोम में लगभग किसी भी स्थान को लक्षित कर सकती है। यह पिछली जीन-संपादन तकनीकों की तुलना में अधिक कुशल है।
- सरलता और लागत-प्रभाविता: CRISPR-Cas9 का उपयोग करना अपेक्षाकृत सरल और सस्ता है, जिसने इसे दुनिया भर की प्रयोगशालाओं के लिए सुलभ बना दिया है।
- बहुमुखी प्रतिभा: इसका उपयोग पौधों, जानवरों और मनुष्यों सहित विभिन्न प्रकार के जीवों में किया जा सकता है। इसका उपयोग जीन को निष्क्रिय करने (नॉक आउट), जीन को सम्मिलित करने (नॉक इन), या जीन अभिव्यक्ति को संशोधित करने के लिए किया जा सकता है।
- चिकित्सीय अनुप्रयोग: इसमें सिस्टिक फाइब्रोसिस, सिकल सेल एनीमिया और हंटिंगटन रोग जैसे आनुवंशिक विकारों के लिए जीन थेरेपी विकसित करने की अपार क्षमता है।
- कृषि में सुधार: इसका उपयोग फसलों में वांछनीय लक्षण जैसे सूखा प्रतिरोध, रोग प्रतिरोध और बढ़ी हुई उपज विकसित करने के लिए किया जा सकता है, जिससे खाद्य सुरक्षा में सुधार हो सकता है।
सीमाएं:
- ऑफ-टारगेट प्रभाव (Off-target effects): कभी-कभी, Cas9 एंजाइम जीनोम में अनपेक्षित स्थानों पर कट लगा सकता है जो लक्ष्य अनुक्रम के समान होते हैं। इससे अप्रत्याशित उत्परिवर्तन हो सकते हैं।
- वितरण की चुनौतियां (Delivery challenges): CRISPR-Cas9 घटकों (Cas9 और gRNA) को जीवित जीवों या विशिष्ट ऊतकों की कोशिकाओं में कुशलतापूर्वक और सुरक्षित रूप से पहुंचाना एक बड़ी चुनौती है।
- मोज़ेसिज़्म (Mosaicism): बहुकोशिकीय जीवों में, संपादन सभी कोशिकाओं में समान रूप से नहीं हो सकता है, जिससे एक मोज़ेक जीव उत्पन्न होता है जिसमें संपादित और गैर-संपादित दोनों कोशिकाएं होती हैं।
- नैतिक चिंताएं: मानव भ्रूण या जनन कोशिकाओं (sperm/egg) में जीन संपादन (जर्मलाइन एडिटिंग) गंभीर नैतिक और सामाजिक प्रश्न खड़े करता है, क्योंकि ये परिवर्तन वंशानुगत होंगे। दुरुपयोग की भी संभावना है।
प्रश्न 7. निम्नलिखित में से किन्हीं चार पर लघु टिप्पणियाँ लिखिए : (i) शटल वेक्टर (ii) यादृच्छिक प्रवर्धित बहुरूपी डीएनए (iii) समष्टि में मार्ग अवरोध (बॉटलनेक) प्रभाव (iv) औषधीय पादपों का महत्व (v) आनुवंशिक विविधता का संरक्षण
उत्तर. (i) शटल वेक्टर (Shuttle Vector): शटल वेक्टर एक प्रकार का क्लोनिंग वेक्टर (आमतौर पर एक प्लाज्मिड) होता है जिसे दो अलग-अलग परपोषी प्रजातियों, जैसे कि जीवाणु ( E. coli ) और एक यूकेरियोट (जैसे, यीस्ट), में प्रतिकृति बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसकी मुख्य विशेषता यह है कि इसमें दो मूल प्रतिकृति स्थल (origins of replication) होते हैं, प्रत्येक परपोषी के लिए एक। इसके अतिरिक्त, इसमें प्रत्येक परपोषी के लिए चयन योग्य मार्कर (selectable markers) भी होते हैं, जैसे कि एंटीबायोटिक प्रतिरोध जीन। इसका मुख्य उपयोग जीन को एक जीव (जैसे, E. coli ) में आसानी से क्लोन और हेरफेर करने और फिर अध्ययन के लिए दूसरे, अधिक जटिल जीव (जैसे, यीस्ट या स्तनधारी कोशिका) में स्थानांतरित करना है। E. coli में डीएनए का तीव्र प्रवर्धन और हेरफेर आसान होता है, जबकि यूकेरियोटिक परपोषी में जीन की अभिव्यक्ति और कार्य का अध्ययन किया जा सकता है। इस प्रकार, यह प्रोकैरियोटिक और यूकेरियोटिक प्रणालियों के बीच एक “शटल” के रूप में कार्य करता है।
(ii) यादृच्छिक प्रवर्धित बहुरूपी डीएनए (RAPD – Random Amplified Polymorphic DNA): RAPD एक पीसीआर (पॉलीमरेज़ चेन रिएक्शन) आधारित आणविक मार्कर तकनीक है जिसका उपयोग डीएनए बहुरूपता (polymorphism) का पता लगाने के लिए किया जाता है। इस तकनीक में, जीनोमिक डीएनए को प्रवर्धित करने के लिए एक छोटे (आमतौर पर 10 बेस पेयर) और यादृच्छिक अनुक्रम वाले एकल प्राइमर का उपयोग किया जाता है। यह प्राइमर जीनोम में कई स्थानों पर जुड़ता है जहाँ पूरक अनुक्रम मौजूद होते हैं। यदि दो ऐसे स्थल एक-दूसरे के करीब और सही अभिविन्यास में होते हैं, तो उनके बीच का डीएनए खंड प्रवर्धित हो जाता है। विभिन्न व्यक्तियों या प्रजातियों के डीएनए में अनुक्रम भिन्नताओं के कारण, प्राइमर अलग-अलग स्थानों पर जुड़ेंगे, जिससे अलग-अलग लंबाई के प्रवर्धित डीएनए टुकड़ों का एक अनूठा पैटर्न उत्पन्न होगा। इन टुकड़ों को जेल वैद्युतकणसंचलन (gel electrophoresis) द्वारा अलग किया जाता है और एक विशिष्ट बैंडिंग पैटर्न (DNA फिंगरप्रिंट) देखा जाता है। RAPD का उपयोग आनुवंशिक विविधता का आकलन करने, प्रजातियों की पहचान करने और आनुवंशिक मानचित्रण में किया जाता है। यह तकनीक तेज और सस्ती है लेकिन इसकी सबसे बड़ी कमी परिणामों की खराब पुनरुत्पादन क्षमता (reproducibility) है।
(iii) समष्टि में मार्ग अवरोध (बॉटलनेक) प्रभाव (Bottleneck Effect): बॉटलनेक प्रभाव आनुवंशिक बहाव (genetic drift) का एक चरम उदाहरण है। यह तब होता है जब किसी आबादी का आकार किसी यादृच्छिक घटना, जैसे कि प्राकृतिक आपदा (बाढ़, भूकंप, आग), बीमारी या मानव गतिविधियों (अत्यधिक शिकार), के कारण बहुत तेजी से और नाटकीय रूप से कम हो जाता है। जो छोटी आबादी बचती है, वह मूल आबादी की पूरी आनुवंशिक विविधता का प्रतिनिधित्व नहीं कर सकती है। इस प्रक्रिया में, कुछ एलील (विशेषकर दुर्लभ वाले) संयोग से पूरी तरह से समाप्त हो सकते हैं, जबकि अन्य एलीलों की आवृत्ति संयोग से बढ़ सकती है। परिणामस्वरूप, नई आबादी में आनुवंशिक विविधता बहुत कम हो जाती है। यह कम हुई विविधता आबादी की भविष्य में पर्यावरणीय परिवर्तनों के प्रति अनुकूलन क्षमता को कम कर सकती है और हानिकारक एलीलों की आवृत्ति को बढ़ा सकती है, जिससे अंतःप्रजनन अवसाद (inbreeding depression) और विलुप्त होने का खतरा बढ़ जाता है।
(iv) औषधीय पादपों का महत्व: औषधीय पादप वे पौधे हैं जिनके एक या अधिक अंगों में ऐसे पदार्थ होते हैं जिनका उपयोग चिकित्सीय प्रयोजनों के लिए या रासायनिक संश्लेषण के अग्रदूत के रूप में किया जा सकता है। इनका महत्व बहुआयामी है:
- पारंपरिक चिकित्सा का आधार: दुनिया की अधिकांश आबादी, विशेष रूप से विकासशील देशों में, अपनी प्राथमिक स्वास्थ्य देखभाल आवश्यकताओं के लिए पारंपरिक चिकित्सा प्रणालियों (जैसे, आयुर्वेद, यूनानी, चीनी चिकित्सा) पर निर्भर है, जो मुख्य रूप से औषधीय पौधों पर आधारित हैं।
- आधुनिक दवाओं का स्रोत: कई आधुनिक दवाएं सीधे पौधों से प्राप्त की जाती हैं या पौधों से प्राप्त यौगिकों से संश्लेषित की जाती हैं। उदाहरणों में मॉर्फिन (अफीम पोस्ता से), क्विनीन (सिनकोना पेड़ से), और टैक्सोल (पैसिफिक यू पेड़ से) शामिल हैं।
- आर्थिक महत्व: औषधीय पौधों की खेती और व्यापार स्थानीय समुदायों के लिए आय का एक महत्वपूर्ण स्रोत है। यह वैश्विक दवा उद्योग के लिए कच्चा माल भी प्रदान करता है।
- जैव विविधता संरक्षण: औषधीय पौधों का महत्व उनके आवासों और संबंधित जैव विविधता के संरक्षण को प्रोत्साहित करता है। वे पारिस्थितिकी तंत्र के स्वास्थ्य के लिए भी महत्वपूर्ण हैं।
(v) आनुवंशिक विविधता का संरक्षण: आनुवंशिक विविधता एक प्रजाति के भीतर जीन पूल में मौजूद कुल जीनों और एलीलों की विविधता को संदर्भित करती है। इसका संरक्षण मानव कल्याण और पारिस्थितिक स्थिरता के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। इसके संरक्षण की आवश्यकता इसलिए है क्योंकि यह प्रजातियों को बदलते पर्यावरण (जैसे, जलवायु परिवर्तन, नई बीमारियाँ) के प्रति अनुकूलन करने की क्षमता प्रदान करती है और कृषि में फसल सुधार के लिए नए जीनों का स्रोत है। आनुवंशिक विविधता के संरक्षण के दो मुख्य तरीके हैं:
- स्व-स्थाने संरक्षण ( In-situ conservation): इसमें प्रजातियों को उनके प्राकृतिक आवासों में संरक्षित किया जाता है। यह राष्ट्रीय उद्यानों, वन्यजीव अभयारण्यों और बायोस्फीयर रिजर्व की स्थापना करके किया जाता है। यह सबसे अच्छा तरीका है क्योंकि यह प्रजातियों को प्राकृतिक विकासवादी प्रक्रियाओं के साथ विकसित होने देता है।
- पर-स्थाने संरक्षण ( Ex-situ conservation): इसमें प्रजातियों के घटकों को उनके प्राकृतिक आवास से बाहर संरक्षित किया जाता है। इसके तरीकों में शामिल हैं:
- बीज बैंक (Seed Banks): बीजों को कम तापमान और कम नमी पर लंबी अवधि के लिए संग्रहीत किया जाता है।
- वानस्पतिक उद्यान (Botanical Gardens): जीवित पौधों को उगाया और बनाए रखा जाता है।
- ऊतक संवर्धन और क्रायोप्रिजर्वेशन (Tissue Culture and Cryopreservation): कोशिकाओं, ऊतकों या भ्रूणों को बहुत कम तापमान (-196°C) पर तरल नाइट्रोजन में संरक्षित किया जाता है।
IGNOU BBYET-143 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) Write the botanical names of the following plants: (i) Levant cotton (ii) Coconut (iii) Flax (iv) Teak (v) Sarpagandha (b) Fill in the blanks: (i) The potential of a plant cell to grow and develop into a whole new multicellular plant is described as cellular ___________. (ii) The technique of ___________ can be used to treat inherited genetic disorders. (iii) ___________ is the study of genetic stability in the cryopreserved plant materials. (iv) Ingo Potrykus developed the genetically engineered product ___________. (v) Androgenesis or Gynogenesis can be used for the production of ___________ plants.
Ans. (a) The botanical names are as follows:
- (i) Levant cotton: Gossypium herbaceum
- (ii) Coconut: Cocos nucifera
- (iii) Flax: Linum usitatissimum
- (iv) Teak: Tectona grandis
- (v) Sarpagandha: Rauvolfia serpentina
(b) Filled in the blanks:
- (i) The potential of a plant cell to grow and develop into a whole new multicellular plant is described as cellular totipotency .
- (ii) The technique of gene therapy can be used to treat inherited genetic disorders.
- (iii) Genetic stability analysis is the study of genetic stability in the cryopreserved plant materials.
- (iv) Ingo Potrykus developed the genetically engineered product Golden Rice .
- (v) Androgenesis or Gynogenesis can be used for the production of haploid plants.
Q2. (a) Describe the process and genetic basis of the domestication of plants. (b) Define the terms ‘Domestication syndrome’ and ‘Unconscious selection’.
Ans. (a) Process and Genetic Basis of Plant Domestication: Domestication is the process by which wild plant species are adapted for human use and management under cultivation. It is a gradual process that has occurred over thousands of years.
The Process:
- Initial Stage: Early humans were hunter-gatherers. They began gathering useful wild plants from their surroundings.
- Early Cultivation: Gradually, they started sowing the seeds of these wild plants near their settlements. In this process, they inadvertently selected for plants that were better adapted to cultivation.
- Conscious Selection: Over time, farmers began to deliberately select and breed plants with desirable traits, such as larger fruits, higher yield, better taste, and easier harvesting.
Genetic Basis:
The basis of domestication is genetic change. This occurs through the following mechanisms:
- Mutation: Random mutations naturally occurring in plant populations create new traits. If a mutation confers a desirable trait (e.g., non-shattering seeds), it is selected for by humans.
- Selection: Humans consistently select plants that possess desirable alleles. This increases the frequency of these alleles in the population. For example, the non-shattering trait, which makes harvesting grains easier, is a common feature in domesticated cereals.
- Genetic Drift: In small founder populations, certain alleles may become fixed or lost by chance, affecting the genetic makeup of the domesticated population.
- Hybridization: Hybridization between different varieties or closely related species can generate new gene combinations, providing new diversity for selection.
(b)
Definitions:
- Domestication Syndrome: This refers to the suite of traits that collectively distinguish domesticated plants from their wild ancestors. These traits arise as a result of human selection. Common traits include:
- Loss of seed dispersal mechanisms (e.g., non-shattering pods or ears).
- Increase in the size of fruits or seeds.
- Loss of dormancy, leading to uniform germination.
- Reduction in toxic or defensive chemical compounds.
- Changes in life cycle, such as a shift towards an annual habit.
- Unconscious Selection: This is a form of selection where humans inadvertently favor plants with certain traits without directly aiming to select for that specific trait. It is an unintentional consequence of their agricultural practices. For instance, when early farmers gathered grains from plants whose ears did not break apart during harvest, they were unintentionally selecting for the ‘non-shattering’ gene. Similarly, choosing seeds that germinated first led to a reduction in seed dormancy.
Q3. (a) Describe the nutritional advantages and health benefits of legumes. (b) What are the different health benefits of curcumin?
Ans. (a) Nutritional Advantages and Health Benefits of Legumes: Legumes, such as lentils, chickpeas, beans, and peas, are plants from the Fabaceae family and are a vital part of diets globally due to their nutritional profile.
Nutritional Advantages:
- Rich Source of Protein: Legumes are one of the best sources of plant-based protein, making them crucial for both vegetarians and non-vegetarians. They typically contain 20-25% protein.
- High in Dietary Fiber: They are rich in both soluble and insoluble fiber. Fiber promotes digestive health, prevents constipation, and increases feelings of fullness (satiety).
- Minerals and Vitamins: Legumes are excellent sources of essential minerals like iron, magnesium, potassium, zinc, and folate (vitamin B9) . Folate is critical for cell growth and metabolism.
- Low Glycemic Index (GI): Most legumes have a low GI, meaning they cause a slow and gradual rise in blood sugar levels, which is beneficial for managing diabetes.
- Low in Fat: They are naturally low in fat and contain no cholesterol.
Health Benefits:
- Heart Health: The fiber, potassium, and folate in legumes contribute to heart health. Fiber helps lower levels of ‘bad’ LDL cholesterol, and potassium helps regulate blood pressure.
- Diabetes Management: The low GI and high fiber content help stabilize blood sugar levels, making them an ideal food for people with type 2 diabetes.
- Weight Management: The combination of protein and fiber enhances satiety, which can reduce overall calorie intake and aid in weight control.
- Reduced Cancer Risk: Legumes contain antioxidants and phytochemicals like saponins and polyphenols, which may have anti-cancer properties.
(b)
Health Benefits of Curcumin:
Curcumin is the main active compound in turmeric (
Curcuma longa
), which gives it its yellow color. It is well-known for its powerful medicinal properties.
The different health benefits of curcumin are:
- Potent Anti-inflammatory Properties: Chronic inflammation is at the root of many diseases. Curcumin is a potent anti-inflammatory molecule that blocks various inflammatory pathways in the body, making it helpful in inflammatory conditions like arthritis.
- Strong Antioxidant: Curcumin can neutralize free radicals and also boosts the activity of the body’s own antioxidant enzymes. This protects cells from oxidative stress.
- Improves Brain Health: Curcumin can increase levels of Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF), a type of growth hormone that functions in the brain. This may help prevent or delay neurodegenerative diseases like Alzheimer’s.
- Lowers Risk of Heart Disease: Curcumin benefits heart health by improving the function of the endothelium (the lining of blood vessels). Its anti-inflammatory and antioxidant effects also protect the heart.
- Potential Role in Cancer Prevention and Treatment: Studies have shown that curcumin can affect cancer growth, development, and spread at a molecular level. It can reduce the growth of cancerous cells and contribute to their destruction.
- Effective Against Depression: Some studies suggest that curcumin may be as effective as an antidepressant in reducing symptoms of depression, possibly by boosting neurotransmitters like serotonin and dopamine.
Q4. (a) Describe the steps of organogenesis discussing the various factors regulating it. (b) Differentiate between direct and indirect embryogenesis with the help of well labelled diagrams.
Ans. (a) Steps and Regulating Factors of Organogenesis: Organogenesis is a process in plant tissue culture by which organs like roots, shoots, or flowers are formed and developed from an undifferentiated callus or an explant. The process is primarily controlled by the balance of plant growth regulators, especially auxins and cytokinins.
Steps of Organogenesis:
- Induction: The explant (e.g., a piece of leaf, stem) is placed on a nutrient medium containing auxins and cytokinins to induce callus formation. The cells begin to divide and form an undifferentiated mass of cells called a callus .
- Organ Differentiation: The callus is then transferred to a new medium with a specific ratio of auxin and cytokinin that promotes organ formation.
- Caulogenesis (Shoot formation): If the medium has a higher ratio of cytokinin to auxin , it induces the development of shoots.
- Rhizogenesis (Root formation): If the medium has a higher ratio of auxin to cytokinin , it promotes the development of roots.
- Whole Plant Regeneration: Once shoots have developed, they are transferred to a rooting medium to promote root formation. After roots develop, the complete plantlet is ready to be transferred to soil (acclimatization).
Factors Regulating Organogenesis:
- Plant Growth Regulators: The ratio of auxin to cytokinin is the most critical factor. Other hormones like gibberellins and abscisic acid can also influence the process.
- Explant Source and Genotype: The plant species, variety, and the type of explant (e.g., leaf, stem, embryo) have a major impact on regenerative capacity.
- Culture Conditions: Light (quality, intensity, and duration), temperature, and the pH of the medium significantly affect the regeneration process.
- Nutrient Medium: The composition of macronutrients, micronutrients, vitamins, and sugars is also crucial for organogenesis.
(b)
Difference Between Direct and Indirect Embryogenesis:
Somatic embryogenesis is the process where bipolar structures (embryos) resembling zygotic embryos are formed from somatic cells. It can be of two types:
1. Direct Embryogenesis: In this process, embryos are formed directly on the surface of the explant tissue without an intermediate callus stage. The cells enter the embryogenic development pathway directly.
- Advantage: It is a faster process and has a lower risk of somaclonal variation because there is no disorganized callus phase.
- Example: Often seen in carrot.
2. Indirect Embryogenesis: In this process, the explant first forms an undifferentiated callus. This callus is then induced to form embryos under appropriate hormonal conditions.
- Advantage: A large number of embryos can be produced as the callus can be proliferated. It is useful for genetic transformation.
- Disadvantage: It has a higher risk of somaclonal variation and is a longer process.
Well Labelled Diagrams:
(Note: A verbal description of the diagrams is provided here.)
Diagram of Direct Embryogenesis: A diagram showing an explant (e.g., a piece of a leaf). Small, globular, heart-shaped, and torpedo-shaped embryos are shown budding directly from the surface of the explant. No callus is shown. Labels: Explant, Globular embryo, Heart-shaped embryo, Torpedo-shaped embryo.
Diagram of Indirect Embryogenesis: A diagram showing a flow: 1. An explant is placed on a nutrient medium. 2. An undifferentiated callus (mass of cells) develops from the explant. 3. Globular, heart-shaped, and torpedo-shaped embryos are shown developing on the surface of the callus. Labels: Explant, Callus formation, Embryogenic callus, Globular embryo, Heart-shaped embryo, Torpedo-shaped embryo.
Q5. What are restriction enzymes? Describe their types and applications.
Ans. Restriction Enzymes: Restriction enzymes, also called restriction endonucleases, are proteins produced by bacteria. These enzymes cut DNA molecules at or near specific recognition sequences. In bacteria, they function as a defense mechanism, protecting the cell by recognizing and destroying foreign DNA, such as that from bacteriophages. Each restriction enzyme recognizes a unique and specific DNA sequence, known as a recognition site . This site is typically 4-8 base pairs long and often palindromic (i.e., reads the same on both strands in the 5′ to 3′ direction).
Types of Restriction Enzymes: Restriction enzymes are broadly classified into three (or four) types:
- Type I: These are complex enzymes that cut DNA at a random location far from their recognition site. They require ATP for cleavage. Due to their non-specific cutting nature, they are not useful in molecular biology.
- Type II: These are the simplest and most commonly used restriction enzymes. They cleave DNA within or exactly at their recognition site. Their cutting is very specific and predictable . They require only Mg²⁺ ions for cleavage, not ATP. Examples include Eco RI, Hin dIII, and Bam HI . These enzymes can produce either ‘sticky ends’ or ‘blunt ends’.
- Type III: These have properties intermediate between Type I and Type II. They cut DNA at a specific distance near their recognition site. They also require ATP and are rarely used in molecular cloning.
Applications: The specificity of Type II restriction enzymes has made them indispensable tools in genetic engineering and molecular biology. Their main applications are:
- Gene Cloning: Restriction enzymes are used to cut both the gene of interest and a plasmid vector. The resulting compatible sticky ends allow the gene to be easily inserted into the vector by the enzyme DNA ligase, creating a recombinant DNA molecule.
- DNA Mapping: By using a variety of restriction enzymes, a map of their recognition sites’ order and distance on a DNA molecule can be created. This is called a restriction map.
- Genetic Fingerprinting: Restriction enzymes are used to cut DNA into fragments. Due to variations in DNA sequences between individuals, the lengths of these fragments vary. This variation is called Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) and is used in forensics, paternity testing, and population genetics.
- Gene Diagnosis: RFLP analysis can be used to detect mutations associated with genetic diseases, if the mutation alters a restriction site.
Q6. (a) Give an overview of CRISPR-Cas9 technology with a schematic diagram. (b) Mention the importance and limitations of CRISPR-Cas9 technology.
Ans. (a) Overview of CRISPR-Cas9 Technology: CRISPR-Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – Cas9) is a powerful gene-editing technology that allows scientists to alter parts of an organism’s genome. It is originally an adaptive immune system in bacteria that defends against viral attacks.
Components:
- Cas9 enzyme: This is a nuclease that acts as ‘molecular scissors,’ cutting both strands of the DNA.
- Guide RNA (gRNA): This is a short, synthetic RNA molecule with two parts:
- crRNA (CRISPR RNA): A sequence of about 20 nucleotides that is complementary to the target DNA sequence in the genome. It guides Cas9 to the correct location.
- tracrRNA (trans-activating crRNA): A scaffold loop structure that binds to the crRNA and stabilizes and binds the Cas9 enzyme.
Mechanism:
- Targeting: The Cas9 enzyme forms a complex with the gRNA.
- Binding: The gRNA directs this complex to a specific location in the cell’s genome, where the crRNA part of the gRNA binds to the complementary target DNA sequence.
- Cleavage: Once the target DNA is found, the Cas9 enzyme cuts both strands of the DNA, creating a double-strand break (DSB) .
- Repair: The cell attempts to fix this break using its natural DNA repair mechanisms:
- Non-Homologous End Joining (NHEJ): This is an error-prone pathway that often causes small insertions or deletions (indels) when rejoining the cut ends. This effectively ‘knocks out’ (inactivates) the gene.
- Homology-Directed Repair (HDR): If a donor DNA template is provided, the cell can use this template to precisely repair the break. This can be used to ‘knock in’ (insert) a gene or correct a specific mutation.
Schematic Diagram: (Note: A verbal description of the diagram is provided here.) A diagram showing: 1. The Cas9 protein (a large, folded structure) with the guide RNA (gRNA) attached to it. One end of the gRNA (the crRNA) is exposed. 2. This Cas9-gRNA complex approaches a double-stranded DNA molecule. 3. The crRNA part of the gRNA binds to its complementary sequence on one strand of the DNA, causing the DNA to unwind. 4. The Cas9 enzyme cuts both strands of the DNA, creating a double-strand break. 5. Two possible outcomes from this break are shown: (a) the NHEJ pathway, leading to a disrupted/inactivated gene (knockout), and (b) the HDR pathway, in the presence of a donor DNA template, leading to a modified or inserted gene (knock-in).
(b) Importance and Limitations of CRISPR-Cas9 Technology:
Importance:
- High Specificity and Efficiency: The technology is highly precise and can target almost any location in the genome. It is more efficient than previous gene-editing techniques.
- Simplicity and Cost-Effectiveness: CRISPR-Cas9 is relatively simple and inexpensive to use, which has made it accessible to labs worldwide.
- Versatility: It can be used in a wide variety of organisms, including plants, animals, and humans. It can be used to inactivate genes (knock out), insert genes (knock in), or modify gene expression.
- Therapeutic Applications: It has immense potential for developing gene therapies for genetic disorders like cystic fibrosis, sickle cell anemia, and Huntington’s disease.
- Agricultural Improvement: It can be used to develop desirable traits in crops, such as drought tolerance, disease resistance, and increased yield, thereby improving food security.
Limitations:
- Off-target effects: Sometimes, the Cas9 enzyme can make cuts at unintended locations in the genome that are similar to the target sequence. This can lead to unforeseen mutations.
- Delivery challenges: Efficiently and safely delivering the CRISPR-Cas9 components (Cas9 and gRNA) into the cells of living organisms or specific tissues is a major challenge.
- Mosaicism: In multicellular organisms, the editing may not occur uniformly in all cells, resulting in a mosaic organism containing both edited and unedited cells.
- Ethical Concerns: Gene editing in human embryos or germline cells (sperm/egg) raises serious ethical and societal questions, as these changes would be heritable. There is also a potential for misuse.
- Basis of Traditional Medicine: A majority of the world’s population, especially in developing countries, relies on traditional medicine systems (e.g., Ayurveda, Unani, Chinese medicine) for their primary healthcare needs, which are primarily based on medicinal plants.
- Source of Modern Drugs: Many modern drugs are derived directly from plants or are synthesized from compounds obtained from plants. Examples include morphine (from opium poppy), quinine (from the cinchona tree), and taxol (from the Pacific yew tree).
- Economic Importance: The cultivation and trade of medicinal plants provide a significant source of income for local communities. It also provides raw materials for the global pharmaceutical industry.
- Biodiversity Conservation: The importance of medicinal plants encourages the conservation of their habitats and the associated biodiversity. They are also important for ecosystem health.
- In-situ conservation: This involves conserving species within their natural habitats. It is done by establishing national parks, wildlife sanctuaries, and biosphere reserves. This is the best method as it allows species to evolve with natural evolutionary processes.
- Ex-situ conservation: This involves conserving components of species outside their natural habitats. Methods include:
- Seed Banks: Seeds are stored at low temperature and low humidity for long periods.
- Botanical Gardens: Living plants are grown and maintained.
- Tissue Culture and Cryopreservation: Cells, tissues, or embryos are preserved in liquid nitrogen at very low temperatures (-196°C).
Q7. Write short notes on any four of the following: (i) Shuttle vectors (ii) Random Amplified Polymorphic DNA (iii) Bottleneck effect in population (iv) Importance of medicinal plants (v) Conservation of genetic diversity
Ans. (i) Shuttle Vector: A shuttle vector is a type of cloning vector (usually a plasmid) designed to replicate in two different host species, such as a bacterium (e.g., E. coli ) and a eukaryote (e.g., yeast). Its key feature is the presence of two origins of replication , one for each host. Additionally, it contains selectable markers for each host, such as antibiotic resistance genes. Its main use is to easily clone and manipulate a gene in one organism (like E. coli ) and then transfer it for study into a second, more complex organism (like yeast or mammalian cells). The rapid amplification and manipulation of DNA are easier in E. coli , while the expression and function of the gene can be studied in the eukaryotic host. Thus, it acts as a “shuttle” between prokaryotic and eukaryotic systems.
(ii) Random Amplified Polymorphic DNA (RAPD): RAPD is a PCR (Polymerase Chain Reaction) based molecular marker technique used to detect DNA polymorphism. In this technique, a single, short (typically 10 bp) primer of random sequence is used to amplify genomic DNA. This primer binds to multiple sites in the genome where complementary sequences exist. If two such sites are close to each other and in the correct orientation, the DNA segment between them is amplified. Due to sequence variations in the DNA of different individuals or species, the primer will bind at different locations, generating a unique pattern of amplified DNA fragments of varying lengths. These fragments are separated by gel electrophoresis, and a specific banding pattern (a DNA fingerprint) is observed. RAPD is used for assessing genetic diversity, species identification, and genetic mapping. The technique is fast and inexpensive, but its major drawback is the poor reproducibility of results.
(iii) Bottleneck Effect in Population: The bottleneck effect is an extreme example of genetic drift. It occurs when a population’s size is very rapidly and dramatically reduced due to a random event, such as a natural disaster (flood, earthquake, fire), disease, or human activities (overhunting). The small population that survives may not represent the full genetic diversity of the original population. In this process, some alleles (especially rare ones) may be lost entirely by chance, while the frequency of other alleles may increase coincidentally. As a result, the new population has much lower genetic diversity . This reduced diversity can decrease the population’s ability to adapt to future environmental changes and may increase the frequency of harmful alleles, leading to inbreeding depression and an increased risk of extinction.
(iv) Importance of Medicinal Plants: Medicinal plants are plants that have one or more of their organs containing substances that can be used for therapeutic purposes or as precursors for chemical synthesis. Their importance is multi-faceted:
(v) Conservation of Genetic Diversity: Genetic diversity refers to the total variety of genes and alleles present in the gene pool of a species. Its conservation is crucial for human welfare and ecological stability. It is needed because it provides species with the ability to adapt to changing environments (e.g., climate change, new diseases) and is a source of new genes for crop improvement in agriculture. There are two main methods for conserving genetic diversity:
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