Mientras tanto, en algún lugar de Asia, un antiguo pariente del cannabis todavía está escondido, esperando ser descubierto. Es probable que este pariente silvestre posea nuevas adaptaciones genéticas relacionadas con su historia ambiental única, lo que lo convierte en un tesoro de información para los criadores de cannabis. Mientras tanto, los científicos han identificado formas de seleccionar cultivos por su contenido de aceite para producir un aceite tónico único.
La planta Cannabis sativa , también conocida como cáñamo, es originaria de Asia, donde aún pueden existir parientes silvestres valiosos para la reproducción.
El cáñamo tiene muchas características únicas que lo han convertido en un cultivo destacado a lo largo de la historia de la humanidad, como su capacidad para producir fibras fuertes para textiles o sus propiedades medicinales que se derivan de ser una de las pocas plantas que produce grandes cantidades de cannabinoides. El cáñamo puede producir más del 30% de su peso seco como terpenos y cannabinoides, pequeñas sustancias químicas que la planta necesita para defenderse de las plagas herbívoras. Esto también hace que el cáñamo sea un cultivo sostenible con un menor consumo de pesticidas agroquímicos.
Hoy en día, los innovadores sugieren que el aceite de cáñamo (con un cultivo adecuado) podría competir con la canola y la soja, o que los derivados del cáñamo podrían incluso usarse como una alternativa sostenible al combustible para aviones.
Sin embargo, la cría de cannabis no es una tarea fácil, ya que la planta tiene un genoma complejo.
En primer lugar, el cannabis se encuentra entre el menos del 5% de plantas que tienen sexos femeninos y masculinos diferenciados en cada planta. En segundo lugar, los genomas del cannabis contienen muchos elementos transponibles, que son secciones repetitivas de ADN que pueden “saltar” alrededor del genoma y, por lo tanto, son difíciles de rastrear.
Los investigadores del Instituto Salk han creado el atlas genético del cannabis más completo, de mayor calidad y detallado hasta la fecha.
El equipo analizó 193 genomas diferentes (conjuntos completos de información genética), revelando una diversidad, complejidad y potencial sin explotar sin precedentes dentro de esta importante especie agrícola. Este logro histórico es el resultado de una colaboración de varios años con el CBD de Oregón, la Universidad Estatal de Oregón y el Instituto HudsonAlpha de Biotecnología.
Los científicos utilizan una tecnología llamada secuenciación para identificar patrones de ácidos nucleicos que se unen entre sí a lo largo de la doble hélice del ADN, formando pares de bases a lo largo de las cadenas de ADN. Los métodos tradicionales de secuenciación de lectura corta cortan el ADN para examinarlo pieza por pieza, solo unos pocos cientos de pares de bases a la vez. Los métodos de secuenciación de lectura larga más nuevos pueden capturar miles de pares de bases a la vez.
Existen limitaciones en lo que se puede detectar con las tecnologías de secuenciación de lectura corta, ya que estos fragmentos genéticos cortos no pueden unirse de forma significativa al estudiar regiones complejas del genoma, especialmente secuencias de ADN repetitivas. Somos de los primeros en aplicar esta tecnología de lectura larga en un contexto pangenómico, lo que conlleva todo este conocimiento sobre la variación estructural y el orden genético que puede ayudar a fundamentar las decisiones finales sobre el mejoramiento genético para obtener rasgos ventajosos en las plantas de cannabis, afirma Lillian Pugitt-Cobb, coautora del artículo de Nature e investigadora postdoctoral en el laboratorio de Michael.
“Nuestro equipo ha creado el mapa genético, o pangenoma, de una planta más completo hasta la fecha, analizando casi 200 genomas de cannabis diferentes, lo que demuestra que apenas estamos comenzando a descubrir todo el potencial de esta increíble planta”, afirmó Todd Michael, autor principal del estudio y profesor de investigación en la Universidad de Salk.
El estudio no es el primero en utilizar la secuenciación de lectura larga; de hecho, el propio Michael fue el primer investigador en secuenciar el genoma del cannabis a nivel cromosómico utilizando la secuenciación de lectura larga en 2018, revelando la compleja arquitectura genética en la que se sintetizan los cannabinoides.
El nuevo estudio destaca por su exhaustividad. Contiene el mayor número de genomas hasta la fecha y es el primero en incluir cromosomas sexuales y, por tanto, el primero en tener resolución de haplotipos.
El cáñamo es una planta diploide. Esto significa que, al igual que los humanos, contiene dos juegos de cromosomas: un juego heredado de la planta macho y el otro de la hembra.
Si bien la mayoría de los genomas publicados hasta la fecha solo han podido resolver un cromosoma, también conocido como resolución de haplotipos, el equipo resolvió ambos conjuntos de cromosomas del cannabis.
Al observar ambos conjuntos de cromosomas, los investigadores encontraron una cantidad de variación genética sin precedentes: quizás 20 veces más que en los humanos.
“Con esta resolución de haplotipos”, explica Padgitt-Cobb, “podemos observar lo que se heredó de solo una de las plantas progenitoras y comenzar a comprender la selección y los orígenes de esa planta”.
En el estudio, el equipo reunió los genomas de 144 plantas de cannabis diferentes de todo el mundo para ensamblar 193 genomas completos, 181 de los cuales nunca habían sido catalogados antes. El genoma total es más grande que el genoma total de la planta debido a esta resolución de haplotipos, ya que cada planta en la que se examinaron ambos conjuntos de cromosomas produjo dos conjuntos de genomas. Juntos, estos genomas múltiples forman el pangenoma, que se ha analizado para comprender el alcance total de la diversidad genética dentro de las especies de cannabis.
La alta calidad de los genomas ensamblados permitió a los investigadores descubrir patrones genéticos previamente desconocidos, incluida la arquitectura de los genes responsables de la síntesis de cannabinoides y, al incluir los cromosomas sexuales, buscar por primera vez el cromosoma Y del cannabis.
El primer descubrimiento fue que había una diversidad inesperada dentro de la especie. En el pangenoma, el 23% de los genes se encontraron en cada genoma, el 55% fueron casi universales (observados en el 95%–99% de los genomas), el 21% se encontraron entre el 5% y el 94% de los genomas y menos del 1% fueron completamente únicos. Algunos de los genes más versátiles fueron aquellos que producen cannabinoides.
Segundo. Si bien los genes cannabinoides fueron consistentes en todos los genomas, los genes relacionados con el metabolismo de los ácidos grasos, el crecimiento y la defensa no lo fueron. Estos genes variables representan un acervo de reproducción sin explotar para el desarrollo de nuevas variedades de cáñamo oleaginoso con semillas de mayor valor nutricional, lo que convierte al cáñamo oleaginoso en un competidor exitoso de otros cultivos oleaginosos.
Tercero. El equipo de investigación descubrió que los cambios estructurales en la vía de biosíntesis de ácidos grasos promueven la producción de tetrahidrocannabivarina (THCV), un cannabinoide raro de tipo varina que ha atraído la atención por sus efectos estimulantes no psicoactivos.
Los investigadores han identificado objetivos interesantes para la optimización agrícola del cáñamo. En primer lugar, al estudiar las diferencias entre los genomas europeos y asiáticos, concluyeron que probablemente todavía había un pariente antiguo acechando en algún lugar de Asia, esperando a ser descubierto. Este pariente silvestre tendrá nuevas adaptaciones genéticas relacionadas con su historia ambiental única, lo que lo convierte en una fuente de información para el cultivo de plantas de cannabis que sean cultivos más resistentes.
Un nuevo conocimiento de los cromosomas sexuales ha demostrado que hay genes presentes sólo en las plantas “paternas” que pueden utilizarse para producir descendencia más productiva. Los resultados sugieren que los programas de mejoramiento genético podrían estar perdiendo una valiosa diversidad genética y potencial de rasgos codificados en estos genomas masculinos ignorados. La incorporación de plantas macho auténticas en las estrategias de mejoramiento puede liberar ventajas genéticas perdidas y ampliar las oportunidades de mejora de los cultivos.
En los últimos 10 años, los cultivadores han realizado un trabajo significativo para aumentar la producción y convertir el cáñamo en un cultivo económicamente viable. “Veo que el cáñamo y sus aceites prosperarán tanto en el ámbito sanitario como en la industria”, concluyó el coautor Ryan Lynch, científico investigador del laboratorio de Michael.
A corto plazo, el equipo de científicos espera que el pangenoma del cáñamo se convierta en un recurso dinámico para que los investigadores de todo el mundo puedan descubrir el potencial sin explotar de este valioso cultivo de múltiples usos.
Basado en un artículo publicado por el Instituto Salk.
