El pangenoma del cannabis revela potencial para uso medicinal e industrial, concluyen investigadores del Instituto Salk, en San Diego (EE UU), al anunciar que después de invertir en su estudio varios años han creado el atlas genético más completo, de alta calidad y detallado de esta planta.
En el estudio que acoge Nature, el equipo analizó un total de 193 genomas diferentes de cannabis (conjuntos completos de información genética), revelando una diversidad y complejidad sin precedentes, así como una oportunidad sin explotar en esta especie agrícola fundamental.
Este logro es el resultado de una colaboración plurianual con el Centro de Negocios de Oregón (CBD), la Universidad Estatal de Oregón y el Instituto de Biotecnología HudsonAlpha.
Es bien sabido que el cannabis ha sido un cultivo de importancia mundial durante milenios. Si bien hoy en día se le conoce mejor como marihuana por su cannabinoide psicoactivo THC (tetrahidrocannabinol), históricamente esta planta ha sido un pilar fundamental de la civilización humana, proporcionando aceite de semillas, textiles y alimentos durante más de 10.000 años.
Actualmente y según los autores de estudio, el cannabis sigue siendo un recurso poco estudiado y subutilizado, pero la legislación estadounidense aprobada en 2014 y 2018 ha revitalizado el desarrollo de cultivos de cannabis para aplicaciones medicinales, de granos y de fibra.
A pesar de su importancia global como fuente de medicina, alimento, aceite de semillas y fibra sigue siendo uno de los cultivos principales menos desarrollados de la era moderna, en gran parte debido a un siglo de restricciones legales, recuerda el profesor Todd Michael, del Instituto Salk y autor principal de este trabajo.
Este equipo construyó el pangenoma más completo de la planta hasta la fecha mediante el análisis de casi 200 genomas de cannabis diversos. “Lo que demuestra –añade Michael- que apenas estamos empezando a ver todo el potencial de esta asombrosa planta. Las restricciones impulsaron una revolución de cultivo clandestino, revelando el poder del cannabis como fábrica química. Con este nuevo modelo genómico, ahora podemos aplicar el cultivo moderno para descubrir nuevos compuestos y rasgos en la agricultura, la medicina y la biotecnología”.
Los innovadores actuales sugieren que el aceite de cannabis podría rivalizar con la canola o la soja con el cultivo adecuado, o que los derivados del cannabis podrían incluso utilizarse como alternativa sostenible al combustible para aviones.
Es una potencia química. Puede producir más del 30 % de su peso seco en forma de terpenos y cannabinoides, pequeñas sustancias químicas que la planta produce para protegerse de los depredadores, pero que los humanos aprovechamos para alterar el estado de ánimo.
El cannabidiol (CBD), no psicodélico, amplió la visión del público sobre el cannabis cuando la cepa Charlotte’s Web se utilizó para tratar las convulsiones epilépticas.
El CBD, el tetrahidrocannabinol (THC) y más de un centenar de cannabinoides poco estudiados se han utilizado para tratar diversas dolencias, como el dolor, la artritis, las náuseas, el asma, la depresión y la ansiedad.
Es importante destacar que el impacto que este cultivo selectivo ha tenido en la diversidad genómica del cannabis ha permanecido en el misterio. Resolverlo ha resultado difícil, dado que posee un genoma complejo. En primer lugar, se encuentra entre menos del 5 % de las plantas que presentan sexos femenino y masculino diferenciados en plantas separadas.
En segundo lugar, los genomas del cannabis contienen numerosos elementos transponibles, que son fragmentos repetitivos de ADN que pueden saltar dentro del genoma y, por tanto, son difíciles de rastrear, siempre según estos investigadores.
Los científicos utilizan la tecnología de secuenciación para determinar los patrones de los ácidos nucleicos, que se conectan a través de la doble hélice del ADN para formar pares de bases, a lo largo de las cadenas de ADN.
Los métodos tradicionales de secuenciación de lectura corta fragmentan el ADN para analizarlo pieza por pieza, solo unos pocos cientos de pares de bases a la vez. Las técnicas más recientes de secuenciación de lectura larga pueden capturar miles de pares de bases a la vez.
“Somos de los primeros en aprovechar esta tecnología de lectura larga a gran escala en el contexto del pangenoma –destaca Lillian Padgitt-Cobb, miembro del equipo-, y con ello se obtienen todos estos conocimientos sobre la variación estructural y el ordenamiento genético que pueden fundamentar las decisiones finales sobre el desarrollo de rasgos favorables en las plantas de cannabis”.
Cabe recordar que este estudio no es el primero en utilizar secuenciación de lectura larga; de hecho, en 2018 el profesor Michael fue el primer investigador en generar un genoma de cannabis a nivel cromosómico mediante secuenciación de lectura.
Ese trabajo reveló la compleja arquitectura génica donde se sintetizan los cannabinoides y explicó la historia del cultivo de Charlotte’s Web. Lo que distingue a este nuevo estudio es su exhaustividad. Contiene la mayor cantidad de genomas hasta la fecha, es el primero en incluir cromosomas sexuales y, en consecuencia, el primero en lograr resolución de haplotipos; esto es, agrupación física de variantes genómicas (polimorfirmos) que tienden a heredarse juntas.
El cannabis es una planta diploide. Esto significa que, al igual que los humanos, contiene dos juegos de cromosomas: uno heredado de una planta macho y el otro de una planta hembra. Si bien la mayoría de los genomas publicados hasta la fecha solo han logrado decodificar un cromosoma, lo que se conoce como resolución de haplotipos, el equipo resolvió ambos juegos de cromosomas del cannabis.
Al analizar ambos juegos de cromosomas, los investigadores revelaron una cantidad sin precedentes de variación genética, posiblemente hasta 20 veces mayor que la de 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 crianza y los antecedentes de esa planta”.
El estudio del equipo recopiló genomas de 144 plantas de cannabis diferentes de todo el mundo para ensamblar un total de 193 genomas; 181 de los cuales nunca se habían catalogado previamente. El total de genomas es mayor que el total de plantas debido a la resolución de haplotipos, ya que cada planta con ambos conjuntos de cromosomas investigados produjo dos conjuntos de genomas.
En conjunto, estos genomas conforman el pangenoma, que se analizó para comprender la magnitud total de la diversidad genética dentro de la especie de cannabis.
La alta calidad de los genomas recolectados permitió a los investigadores resolver patrones génicos nunca antes vistos, incluida la arquitectura de los genes responsables de la síntesis de cannabinoides y, al incorporar los cromosomas sexuales, una primera mirada a los cromosomas Y del cannabis.
Su primer descubrimiento fue la existencia de una diversidad inesperada dentro de la especie. En el pangenoma, el 23 % de los genes se encontraban en cada genoma, el 55 % eran casi universales (presentes entre el 95 % y el 99 % de los genomas), el 21 % se encontraba entre el 5 % y el 94 % de los genomas, y menos del 1 % eran completamente únicos. Algunos de los genes más universales eran los que producen cannabinoides.
Si bien los genes cannabinoides fueron consistentes en todos los genomas, no lo fueron los relacionados con el metabolismo de los ácidos grasos, el crecimiento y la defensa. Estos genes variables constituyen un grupo de reproducción sin explotar, y su reproducción selectiva también podría aumentar la resistencia del cannabis en el campo o mejorar el contenido nutricional del aceite de cáñamo, convirtiéndolo en un competidor entre los aceites de semillas existentes.
Cabe destacar que este equipo de investigadores descubrió que la variación estructural en la vía biosintética de los ácidos grasos contribuye a la producción de tetrahidrocannabivarina (THCV), un cannabinoide raro de tipo varina que está ganando atención por sus efectos energizantes y no psicoactivos.
Al examinar más detenidamente los genes cannabinoides en el pangenoma, los investigadores concluyeron que los genes THCAS y CBDAS probablemente se encuentran bajo una fuerte presión selectiva debido a la crianza dirigida por humanos para el contenido de THC y CBD.
En este sentido, recordar que descubrieron que los genes cannabinoides se encuentran en elementos transponibles. La crianza selectiva para genes dentro de estos elementos transponibles saltadores ha generado, a su vez, una inmensa diversidad entre las plantas de cannabis.
Los investigadores también identificaron objetivos interesantes para la optimización agrícola. En primer lugar, al observar las diferencias entre los genomas europeos y asiáticos, concluyen que probablemente exista un antiguo pariente del cannabis en algún lugar de Asia por descubrir. Este pariente silvestre tendrá nuevas adaptaciones génicas relacionadas con su singular historia ambiental, lo que lo convierte en una fuente inagotable de información para el cultivo de plantas más resilientes.
Finalmente, el novedoso descubrimiento de los cromosomas sexuales reveló que existen genes presentes únicamente en las plantas padre que pueden utilizarse para generar descendencia con mayor rendimiento. El mejoramiento moderno de la marihuana aprovecha la feminización, donde los agricultores inducen a una planta hembra a producir flores masculinas, ignorando por completo el cromosoma Y.
Estos hallazgos sugieren que los programas de mejoramiento podrían estar pasando por alto la valiosa diversidad génica y el potencial de rasgos codificados en esos genomas masculinos ignorados. Incorporar plantas macho auténticas en las estrategias de mejoramiento podría generar ganancias genéticas pasadas por alto y ampliar las oportunidades de mejora de los cultivos.
Según Ryan Lynch, miembro del equipo, “en los últimos 10 años, los cultivadores han realizado un trabajo decente para aumentar la producción y convertir el cannabis en un cultivo económicamente viable. Una vez que se genere interés en el mercado, sumado a estos nuevos conocimientos sobre el genoma del cannabis que puedan orientar los esfuerzos de mejoramiento, preveo un gran auge del cáñamo y sus aceites”.