Cannabis e lúpulo revelam genes sexuais antigos no cromossomo X

As plantas de cannabis não se desenvolvem todas do mesmo jeito. Algumas formam apenas flores femininas, outras produzem flores masculinas, e há também aquelas que carregam os dois tipos.

Para quem cultiva, essa diferença é decisiva, porque o sexo das flores interfere diretamente na qualidade da colheita, nas estratégias de melhoramento e no momento certo de colher.

Agora, cientistas localizaram um pequeno conjunto de genes que parece participar do controle desses resultados.

Além de explicar melhor como a cannabis se desenvolve, a descoberta sugere que cannabis e lúpulo ainda preservam genes sexuais antigos ligados à floração - mesmo milhões de anos após as duas plantas seguirem caminhos evolutivos separados.

O DNA por trás do sexo das plantas

Em um trecho estreito do cromossomo X da cannabis, o sinal que orienta o sexo da planta fica concentrado em uma única região de DNA, bem delimitada.

Ao mapear como as plantas herdaram características masculinas, femininas e mistas, Matteo Toscani, da University College Dublin (UCD), mostrou que três genes vizinhos se alinharam de forma consistente com esses desfechos.

Essa mesma área diferencia plantas que carregam somente flores femininas daquelas que produzem flores dos dois sexos, ajudando a entender como um único genoma consegue gerar diferentes formas reprodutivas.

Como o efeito parece vir de uma zona genética compacta - e não de um único gene isolado -, o achado aponta para um sistema coordenado, que ainda exige esclarecer como cada componente contribui para o resultado final.

Como o sexo influencia as lavouras

A maioria das plantas com flores reúne partes masculinas e femininas na mesma flor, mas a cannabis costuma separar essas funções em indivíduos distintos.

Plantas fêmeas de Cannabis sativa têm dois cromossomos X, enquanto plantas machos geralmente possuem um X e um Y, incluindo genes frequentemente associados à masculinidade.

Algumas linhagens de cânhamo fogem desse padrão ao produzir os dois tipos de flores na mesma planta, uma característica útil - e ao mesmo tempo delicada - para programas de melhoramento.

“Which of those genes determines whether a plant becomes male or female is unknown,” disse o autor sênior do estudo, Rainer Melzer, professor assistente na UCD.

Uma descoberta genética inesperada

Muita gente aprende que cromossomos Y definem a masculinidade, mas, neste caso, o sinal da cannabis apareceu no cromossomo X.

As evidências apontaram para uma pequena região no X - e não no Y -, contrariando a expectativa comum baseada em humanos e muitos animais.

“ We were quite surprised,” disse Toscani. O resultado também combinou com trabalhos anteriores em cannabis do tipo fibra e direcionou os pesquisadores a buscar genes que atuam antes de as flores se tornarem visivelmente masculinas ou femininas.

Três genes atuam em conjunto

Dentro de 60,000 “letras” de DNA, a equipa destacou CsREM16, lncREM16 e CsKAN4 - três genes com padrões de atividade diferentes.

O CsREM16 mostrou atividade em plantas femininas e mistas, enquanto o lncREM16 apareceu principalmente em amostras masculinas e pode bloquear sinais femininos.

Já a menor atividade de CsKAN4 foi um marcador de plantas com flores mistas, e essa alteração pode reduzir o controlo hormonal que normalmente favorece o desenvolvimento feminino.

Em vez de um único gene a comandar o processo, o que se vê é um “interruptor” formado por três genes, cuja atividade empurra a planta para diferentes formas sexuais.

Genes compartilhados entre lúpulo e cannabis

O lúpulo, a planta cervejeira Humulus lupulus, apresentou genes REM16 e KAN4 relacionados, posicionados em uma vizinhança equivalente no cromossomo X.

Pesquisas anteriores já haviam colocado cannabis e lúpulo no mesmo par antigo de cromossomos sexuais, com genes ligados ao sexo datados de cerca de 12 a 28 milhões de anos.

Como os novos genes ficam justamente nessa área antiga, é provável que o sistema de controle compartilhado tenha surgido antes de as duas linhagens se separarem.

Ainda assim, plantas de lúpulo raramente exibem o hábito de flores mistas, indicando que os detalhes desse mecanismo provavelmente mudaram depois da divisão evolutiva.

Por que cultivadores preferem fêmeas

Cervejeiros preferem plantas fêmeas de lúpulo porque apenas elas produzem cones, os agrupamentos florais papiráceos que dão aroma e sabor à cerveja.

Na cannabis, muitos cultivadores também buscam plantas fêmeas, já que seus cachos florais produzem resina rica em substâncias da planta chamadas canabinoides, incluindo o canabidiol.

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

Uma previsão confiável do sexo ajudaria a eliminar cedo plantas indesejadas, reduzindo espaço desperdiçado, trabalho e perdas de produtividade.

O sexo da planta não é totalmente fixo

Batizada de Monoecy1, a zona de DNA associada à floração mista explicou cerca de 15% da característica, o que deixa margem para outras influências.

Na segunda geração analisada pela equipa, as plantas com flores incluíram 43 percent fêmeas, 29 percent plantas mistas e 20.1 percent machos.

A linhagem materna também teve peso: a proporção de descendentes machos variou de 6.8 percent a 35.9 percent, dependendo de qual planta fêmea gerou as sementes.

Esses valores alertam melhoristas de que um único marcador de DNA pode orientar decisões, mas não consegue garantir o futuro de cada planta.

A evolução deixou marcas genéticas

Perdas de genes ficaram concentradas perto da mesma extremidade do cromossomo, sinalizando que o cromossomo Y foi perdendo cópias correspondentes ao longo do tempo.

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

Esse tipo de perda se acumula quando os cromossomos X e Y deixam de trocar DNA, permitindo que as diferenças se empilhem ao longo das gerações.

Na cannabis, o sinal mais antigo de divergência aparece perto do mesmo local onde a nova região de controle sexual foi mapeada.

Prevendo o sexo da planta mais cedo

Melhoristas podem transformar esse mapa em testes precoces que indiquem o sexo provável antes de os campos se encherem de flores indesejadas.

Uma amostra de folha poderia revelar se plântulas carregam versões da região associadas ao crescimento feminino ou à floração mista.

Mesmo assim, o estudo aponta genes candidatos, não uma ferramenta pronta, porque ainda é preciso provar que esses genes controlam diretamente o desenvolvimento das flores.

Experimentos futuros poderão ligar ou desligar esses genes e medir se os padrões de floração mudam.

O novo mapa reúne, em uma região compacta de DNA, sexo das flores, planeamento da produção e evolução dos cromossomos, incluindo genes compartilhados entre cannabis e lúpulo.

Para agricultores e cervejeiros, o valor mais imediato pode estar na melhoria da previsão, enquanto o controlo genético direto dependerá de testes adicionais.