Genes do sexo no cannabis e no lúpulo revelados no cromossoma X

As plantas de cannabis não crescem todas da mesma forma. Algumas geram apenas flores femininas, outras formam flores masculinas e há ainda plantas que exibem ambos os tipos.

Para quem cultiva, esta diferença é decisiva, porque o sexo das flores influencia desde a qualidade da produção até os cruzamentos e o momento certo de colher.

Agora, investigadores identificaram um pequeno conjunto de genes que parece contribuir para controlar esses desfechos.

Além de ajudar a explicar como a cannabis se desenvolve, a descoberta mostra que a cannabis e o lúpulo continuam a partilhar antigos genes do sexo associados à floração, mesmo milhões de anos depois de as duas linhagens se terem separado.

O ADN por detrás do sexo das plantas

Numa faixa estreita do cromossoma X da cannabis, o sinal que orienta 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, do University College Dublin (UCD), mostrou que três genes vizinhos coincidiam de forma consistente com esses resultados.

Essa mesma zona separa plantas que produzem apenas flores femininas daquelas que desenvolvem flores de ambos os sexos, ajudando a perceber como um único genoma pode originar diferentes formas reprodutivas.

Como o efeito parece resultar de um bloco genético compacto - e não de um gene isolado -, a conclusão aponta para um mecanismo coordenado, que ainda precisa de ser explicado ao detalhe quanto ao contributo de cada componente para o resultado final.

Como o sexo influencia as culturas

A maioria das plantas com flor reúne estruturas masculinas e femininas na mesma flor, mas a cannabis, em geral, distribui essas funções por plantas diferentes.

As plantas fêmea de Cannabis sativa têm dois cromossomas X, enquanto as plantas macho normalmente possuem um X e um Y, incluindo genes frequentemente associados à masculinidade.

Algumas linhagens de cânhamo fogem a este padrão ao produzirem ambos os tipos de flor na mesma planta, uma característica útil para melhoramento, mas também difícil de gerir.

“Which of those genes determines whether a plant becomes male or female is unknown,” disse o autor sénior do estudo, Rainer Melzer, professor auxiliar no UCD.

Uma descoberta genética inesperada

Muitas pessoas aprendem que é o cromossoma Y que determina a masculinidade, mas, neste caso, o sinal na cannabis apareceu no cromossoma X.

As evidências apontaram para uma pequena região do X - e não para o Y -, contrariando a expectativa habitual baseada em humanos e em muitos animais.

“We were quite surprised,” afirmou Toscani. O resultado encaixou em trabalhos mais antigos sobre cannabis do tipo fibra e levou os investigadores a focarem-se em genes activos antes de as flores se tornarem visivelmente masculinas ou femininas.

Três genes actuam em conjunto

Num intervalo de 60,000 letras de ADN, a equipa destacou CsREM16, lncREM16 e CsKAN4 - três genes com padrões de actividade distintos.

O CsREM16 mostrou actividade em plantas fêmea e em plantas mistas, enquanto o lncREM16 surgiu sobretudo em amostras masculinas e poderá bloquear sinais associados ao desenvolvimento feminino.

Uma actividade mais baixa do CsKAN4 foi característica de plantas com flores mistas, e esta alteração poderá reduzir o controlo hormonal que normalmente favorece o desenvolvimento feminino.

Em vez de um único gene a actuar sozinho, o “interruptor” parece resultar da acção combinada de três genes, cuja actividade encaminha as plantas para diferentes formas sexuais.

Genes partilhados no lúpulo e na cannabis

O lúpulo, a planta usada na produção de cerveja Humulus lupulus, apresentava genes REM16 e KAN4 relacionados numa zona equivalente do cromossoma X.

Investigação anterior já tinha colocado cannabis e lúpulo no mesmo par ancestral de cromossomas sexuais, com genes ligados ao sexo em comum datados de aproximadamente 12 a 28 milhões de anos.

Como os novos genes se situam nessa região antiga, é provável que este sistema de controlo partilhado tenha começado antes de as duas plantas divergirem.

Ainda assim, as plantas de lúpulo raramente exibem o hábito de flores mistas, pelo que os detalhes do mecanismo deverão ter mudado após a separação das linhagens.

Porque é que os produtores preferem fêmeas

Quem produz cerveja prefere plantas fêmea de lúpulo porque só as fêmeas formam cones - os aglomerados florais de aspecto papiráceo que dão aroma e sabor à cerveja.

No caso da cannabis, muitos cultivadores optam por plantas fêmea porque os seus aglomerados florais produzem resina rica em compostos da planta chamados canabinóides, incluindo o canabidiol.

Para o cânhamo de fibra, plantas com flores mistas podem crescer de forma mais uniforme, porque os campos evitam a falta de sincronização entre plantas macho e fêmea.

Conseguir prever o sexo com fiabilidade ajudaria a remover cedo as plantas indesejadas, reduzindo área desperdiçada, trabalho e perdas de produtividade.

O sexo das plantas não é fixo

A zona de ADN associada à floração mista, chamada Monoecy1, explicou cerca de 15% da característica, deixando espaço para outros factores.

Na segunda geração analisada pela equipa, as plantas em floração incluíram 43 por cento de fêmeas, 29 por cento de plantas mistas e 20.1 por cento de machos.

A origem materna também teve impacto: a percentagem de descendentes machos variou de 6.8 por cento a 35.9 por cento, consoante a planta fêmea que produziu as sementes.

Estes valores servem de aviso a quem faz melhoramento: um marcador de ADN pode orientar decisões, mas não garante o futuro de todas as plantas.

A evolução deixou marcas genéticas

As perdas de genes concentraram-se perto do mesmo extremo do cromossoma, indicando que o cromossoma Y foi perdendo, ao longo do tempo, cópias correspondentes.

A equipa estimou que 40 por cento das proteínas codificadas nessa região não tinham um “par” evidente 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 de gerações.

Na cannabis, o sinal de divergência mais antigo encontra-se perto do mesmo local onde foi agora mapeada a região de controlo do sexo.

Prever o sexo das plantas mais cedo

Os melhoradores podem transformar este mapa em testes precoces que indiquem o sexo provável antes de os campos ficarem cheios de flores indesejadas.

Uma amostra de folha poderá mostrar se as plântulas transportam versões da região associadas a desenvolvimento feminino ou a floração mista.

Ainda assim, este trabalho aponta para genes candidatos e não para uma ferramenta já concluída, porque primeiro é necessário demonstrar que estes genes controlam directamente o desenvolvimento floral.

Experiências futuras poderão ligar ou desligar estes genes e medir se os padrões de floração se alteram.

O novo mapa liga o sexo das flores, o planeamento da cultura e a evolução cromossómica numa região de ADN compacta, que contém genes partilhados pela cannabis e pelo lúpulo.

Para agricultores e produtores de cerveja, o benefício imediato poderá ser uma previsão mais eficaz, enquanto o controlo genético directo dependerá de testes adicionais.