Come 193 genomi di cannabis potrebbero rivoluzionare la salute, l’industria e il pianeta

Guidata da ricercatori del Salk Institute, in collaborazione con l’Oregon CBD, l’Oregon State University e l’HudsonAlpha Institute of Biotechnology, l’équipe ha prodotto il più completo genoma della cannabis fino ad oggi. Costituita da 193 diversi genomi di cannabis, questa mappa genetica rivela una diversità sorprendente e pone le basi per una selezione accelerata in medicina, agricoltura e industria.

“La cannabis è una delle piante più straordinarie della Terra”, ha detto Todd Michael, autore principale dello studio e professore di ricerca al Salk Institute. “Grazie a questa nuova impronta genomica, possiamo ora applicare le moderne tecniche di riproduzione per scoprire nuovi composti e tratti in agricoltura, medicina e biotecnologia”

Liberare l’arsenale chimico della pianta

La Cannabis Sativa L. è una vera e propria miniera d’oro chimica. Può produrre più del 30% del suo peso secco in cannabinoidi e terpeni, piccole molecole sintetizzate nei tricomi ghiandolari che ricoprono i fiori della pianta. Questi composti fungono da difesa naturale per la pianta, ma sono sfruttati dall’uomo per i loro effetti terapeutici, aromatici e psicoattivi.

Di questi, CBD (cannabidiolo) e THC (tetraidrocannabinolo) sono i più noti. La popolarità di varietà come Charlotte’s Web, nota per le sue proprietà antiepilettiche, ha, ad esempio, favorito l’accettazione del CBD da parte del grande pubblico e suscitato un rinnovato interesse scientifico.

Tuttavia, nonostante la polivalenza della Cannabis, che va dai biocarburanti agli oli nutrizionali, la sua architettura genomica è rimasta a lungo un mistero. Le restrizioni legali hanno impedito la selezione e la ricerca sistematica, lasciando molti tratti inesplorati e poco sviluppati.

Una svolta nella tecnologia genomica

Gli studi genetici tradizionali hanno incontrato difficoltà con la cannabis a causa del suo genoma complesso. Come solo il 5% delle piante, la cannabis è dioica, cioè esistono piante maschili e femminili distinte. Il suo genoma è inoltre saturo di elementi trasponibili, segmenti di DNA che “saltano” da una parte all’altra del genoma, complicando il sequenziamento e l’analisi.

Il team ha superato queste difficoltà utilizzando tecnologie di sequenziamento long-read, che consentono di decodificare migliaia di coppie di basi in una sola volta, anziché assemblare sequenze frammentate. Questo approccio ha permesso di mappare entrambe le serie di cromosomi (uno per ogni genitore) in un processo chiamato risoluzione degli aplotipi, una novità assoluta per la cannabis.

“Siamo tra i primi a sfruttare questa tecnologia long-read su larga scala nel contesto del pangenoma”, ha detto la co-autrice Lillian Padgitt-Cobb, ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Michael.

“Ci dà tutte queste informazioni sulla variazione strutturale e sull’ordine dei geni che possono informare le decisioni finali sulla selezione di tratti favorevoli nelle piante di cannabis”

Diversità nascosta e opportunità di innovazione

Lo studio sul pangenoma, che ha preso in esame 144 piante di tutto il mondo, ha rivelato un livello sorprendente di diversità genetica. Risolvendo entrambe le serie di cromosomi di ogni pianta, il team ha assemblato 193 genomi, 181 dei quali non erano mai stati catalogati prima.

Questi risultati mettono in discussione numerose ipotesi. Solo il 23% dei geni è stato trovato in tutti i genomi, mentre il 55% era quasi universale e il 21% variava da genoma a genoma. Sorprendentemente, i geni legati al metabolismo degli acidi grassi, alla crescita e alla difesa delle piante erano i più variabili, offrendo un serbatoio per nuove strategie di riproduzione.

Tra le scoperte più importanti c’è stata la base genetica della tetraidrocannabivarina (THCV), un cannabinoide meno conosciuto che sta suscitando un crescente interesse per i suoi effetti energizzanti e non psicotropi. I ricercatori hanno identificato che le variazioni nella via di biosintesi degli acidi grassi determinano la produzione di THCV, aprendo una nuova frontiera nella selezione funzionale della cannabis.

Inoltre, i geni THCAS e CBDAS, responsabili della sintesi di THC e CBD, sono stati trovati integrati in elementi trasponibili, suggerendo che la selezione diretta dall’uomo – breeding – ha ampiamente contribuito alla diversità genomica della specie.

Ripensare la selezione: il ruolo delle piante maschio

Lo studio fa luce anche sui cromosomi sessuali della cannabis. Per anni, la selezione moderna ha dato priorità a semi femminizzati inducendo le piante femmine a produrre fiori maschili, escludendo così qualsiasi contributo del cromosoma Y. Ma questa scorciatoia potrebbe avere un costo.

“Ci sono geni presenti solo nelle piante ‘padre’ che possono essere utilizzati per selezionare una prole di maggior successo”, scrivono gli autori. Ignorando il genoma maschile, gli allevatori potrebbero perdere preziosi tratti legati al vigore, alla resilienza o persino alla produzione di nuovi composti.

Secondo Ryan Lynch, un altro coautore, l’incorporazione di queste conoscenze genetiche nell’allevamento commerciale potrebbe catalizzare una crescita significativa: “Una volta che l’interesse del mercato si combinerà con queste nuove conoscenze sul genoma della cannabis, che possono guidare gli sforzi di allevamento, penso che la canapa e gli oli di canapa decolleranno davvero nella salute umana e nelle applicazioni industriali”

I prossimi passi

Il team di ricerca spera che il pangenoma della cannabis serva come riferimento aperto e dinamico per scienziati, allevatori e politici di tutto il mondo. Queste conoscenze potrebbero guidare una precisa selezione per sviluppare cultivar adatte ad applicazioni mediche, all’agricoltura sostenibile e persino ad usi bioindustriali come carburanti alternativi per jet o oli di semi ad alto contenuto nutritivo.

Lo studio indica anche la probabile esistenza di un antenato selvatico della cannabis in Asia, che potrebbe contenere tratti genetici non sfruttati e modellati da condizioni ambientali uniche. La scoperta e il sequenziamento di questa pianta potrebbe espandere ulteriormente il pangenoma e offrire ancora più strumenti per lo sviluppo globale delle colture.

Come è stato possibile?

La creazione di questa mappa genetica senza precedenti della cannabis è stata possibile solo grazie a una combinazione di perseveranza scientifica, innovazione tecnologica ed evoluzione normativa. Gli American Agricultural Acts del 2014 e del 2018, che hanno legalizzato la ricerca e la coltivazione della canapa, hanno svolto un ruolo decisivo. Hanno fornito ai ricercatori il quadro giuridico per raccogliere campioni di piante, collaborare tra istituzioni e applicare tecniche genomiche avanzate a una coltura un tempo relegata ai margini della scienza.

Secondo Todd Michael: “Queste stesse restrizioni legali hanno stimolato una rivoluzione sotterranea nell’allevamento, rivelando il potere della cannabis come fabbrica chimica” Ma ora, con il cambiamento delle politiche e i progressi della scienza, la cannabis sta emergendo dall’ombra, armata di un genoma, un piano e un futuro.