Genes sexuais ancestrais ligam canábis e lúpulo

As plantas de canábis não crescem todas da mesma forma. Algumas produzem apenas flores femininas, outras desenvolvem flores masculinas e há ainda as que apresentam ambas.

Esta diferença é extremamente importante para os produtores, pois o sexo das flores determina aspetos que vão da qualidade da cultura ao melhoramento e ao momento da colheita.

Agora, cientistas identificaram um pequeno conjunto de genes que parece ajudar a controlar estes resultados.

A descoberta não só esclarece o desenvolvimento das plantas de canábis, como revela que a canábis e o lúpulo continuam a partilhar genes sexuais ancestrais associados à floração, milhões de anos depois de as duas plantas se terem separado.

O ADN por detrás do sexo das plantas

Numa faixa estreita do cromossoma X da canábis, o sinal que regula o sexo da planta concentra-se numa única região de ADN, bem delimitada.

Ao mapear a forma como as plantas herdavam características masculinas, femininas e mistas, Matteo Toscani, da University College Dublin (UCD), mostrou que três genes vizinhos coincidiam sistematicamente com esses resultados.

Essa mesma região distingue as plantas que possuem exclusivamente flores femininas das que produzem ambos os sexos, ajudando a explicar como um único genoma pode originar várias formas reprodutivas.

Como o efeito resulta de uma zona genética compacta, e não de apenas um gene, a descoberta sugere um sistema coordenado que exige mais explicações sobre a contribuição de cada componente para o resultado final.

De que forma o sexo afeta as culturas

A maioria das plantas com flor reúne partes masculinas e femininas na mesma flor, mas a canábis normalmente separa essas funções por plantas diferentes.

As plantas femininas de Cannabis sativa têm dois cromossomas X, ao passo que as masculinas possuem geralmente um X e um Y, incluindo genes frequentemente associados à masculinidade.

Algumas linhagens de cânhamo afastam-se deste padrão ao produzir os dois tipos de flor na mesma planta, uma característica útil, mas complexa, para os melhoradores.

“Qual desses genes determina se uma planta se torna macho ou fêmea é desconhecido”, afirmou o autor sénior do estudo, Rainer Melzer, professor assistente na UCD.

Uma descoberta genética inesperada na canábis

Muitas pessoas aprendem que os cromossomas Y determinam a masculinidade, mas, neste caso, o sinal da canábis estava situado no cromossoma X.

Os dados apontavam para uma pequena região do cromossoma X, e não para o cromossoma Y, contrariando a expectativa habitual baseada nos humanos e em muitos animais.

“Ficámos bastante surpreendidos”, disse Toscani. O resultado era compatível com trabalhos mais antigos sobre canábis de tipo fibroso e levou os investigadores a procurar genes ativos antes de as flores se tornarem visivelmente masculinas ou femininas.

Três genes atuam em conjunto

Ao longo de 60.000 letras de ADN, a equipa destacou CsREM16, lncREM16 e CsKAN4 - três genes com padrões de atividade distintos.

O CsREM16 estava ativo nas plantas femininas e mistas, enquanto o lncREM16 surgia sobretudo nas amostras masculinas e poderá bloquear sinais femininos.

Uma atividade inferior de CsKAN4 identificava as plantas com flores mistas, e esta alteração poderá enfraquecer o controlo hormonal que normalmente favorece o desenvolvimento feminino.

Em vez de um único gene atuar isoladamente, este mecanismo parece envolver três genes cuja atividade conduz as plantas para diferentes formas sexuais.

Genes partilhados no lúpulo e na canábis

O lúpulo, a planta cervejeira Humulus lupulus, apresentava genes REM16 e KAN4 relacionados numa zona correspondente do cromossoma X.

Investigação anterior situou a canábis e o lúpulo no mesmo par ancestral de cromossomas sexuais, com genes associados ao sexo partilhados e datados de aproximadamente 12 a 28 milhões de anos.

Como os novos genes se encontram nessa região antiga, o sistema de controlo comum terá provavelmente surgido antes de as duas plantas divergirem.

No entanto, as plantas de lúpulo raramente exibem o hábito de flores mistas, pelo que os pormenores terão provavelmente mudado depois de as linhagens se separarem.

Porque os produtores procuram fêmeas

Os cervejeiros procuram plantas femininas de lúpulo porque só as fêmeas produzem cones, os aglomerados florais papiráceos que conferem aroma e sabor à cerveja.

Os produtores de canábis preferem frequentemente as plantas femininas porque os seus aglomerados florais produzem resina rica em substâncias vegetais chamadas canabinóides, incluindo canabidiol.

No cânhamo para fibra, as plantas com flores mistas podem crescer de forma mais uniforme, porque os campos evitam diferenças de calendário entre plantas masculinas e femininas.

Uma previsão fiável do sexo poderá permitir aos produtores retirar cedo as plantas indesejadas, reduzindo o espaço desperdiçado, a mão de obra e as perdas de produção.

O sexo das plantas não é fixo

Designada Monoecy1, a zona de ADN associada à floração mista explicava cerca de 15% da característica, deixando margem para outras influências.

Na segunda geração da equipa, as plantas em floração incluíam 43 percent fêmeas, 29 percent plantas mistas e 20.1 percent machos.

A origem materna também teve importância: a descendência masculina variou entre 6.8 percent e 35.9 percent, consoante a progenitora feminina que produziu as sementes.

Estes valores alertam os melhoradores para o facto de um marcador de ADN poder orientar decisões, mas não garantir o futuro de cada planta.

A evolução deixou marcas genéticas

As perdas de genes concentraram-se perto da mesma extremidade cromossómica, demonstrando que o cromossoma Y perdeu ao longo do tempo cópias correspondentes.

A equipa estimou que 40 percent das proteínas codificadas nessa região não tinham um parceiro claro no cromossoma Y.

Este tipo de perda acumula-se quando os cromossomas X e Y deixam de trocar ADN, permitindo que as diferenças se somem ao longo das gerações.

Na canábis, o sinal de divergência mais antigo localiza-se perto do mesmo ponto que a região de controlo sexual agora mapeada.

Prever mais cedo o sexo das plantas

Os melhoradores poderão transformar este mapa em testes precoces capazes de assinalar o provável sexo das plantas antes de os campos ficarem cheios de flores indesejadas.

Uma amostra de folha poderá indicar se as plântulas transportam variantes da região associadas ao crescimento feminino ou à floração mista.

Ainda assim, o trabalho identifica genes candidatos, e não uma ferramenta concluída, pois os investigadores precisam primeiro de provar que estes genes controlam diretamente o desenvolvimento das flores.

Experiências futuras poderão ativar ou desativar os genes e medir se os padrões florais se alteram.

O novo mapa relaciona o sexo das flores, o planeamento das culturas e a evolução dos cromossomas numa região compacta de ADN que contém genes partilhados pela canábis e pelo lúpulo.

Para agricultores e cervejeiros, o seu valor imediato poderá resultar de previsões mais precisas, enquanto o controlo genético direto dependerá de testes adicionais.