El pangenoma del cannabis revela potencial para uso medicinal e industrial

28 de Mayo de 2025

El pangenoma del cannabis revela potencial para uso medicinal e industrial

Un esfuerzo de investigación colaborativo de varios años produce el archivo genético más completo de la planta de cannabis hasta la fecha

28 de Mayo de 2025

LA JOLLA—El cannabis ha sido un cultivo de importancia mundial durante milenios. Aunque hoy en día se le conoce mejor como marihuana por su cannabinoide psicoactivo THC (tetrahidrocannabinol), históricamente ha sido un pilar fundamental de la civilización humana, proporcionando aceite de semillas, textiles y alimentos durante más de 10,000 años. Hoy en día, 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.

Investigadores del Instituto Salk han creado el atlas genético del cannabis más completo, de alta calidad y detallado hasta la fecha. El equipo analizó 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 histórico fue 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.

Los resultados, publicados en Nature El 28 de mayo de 2025, se sentaron las bases para avances transformadores en la agricultura, la medicina y la industria basadas en el cannabis.

El cannabis es una de las plantas más extraordinarias de la Tierra. A pesar de su importancia global como fuente de medicina, alimento, aceite de semillas y fibra durante al menos los últimos 10,000 años, sigue siendo uno de los cultivos principales menos desarrollados de la era moderna, en gran medida debido a un siglo de restricciones legales. Todd Michael, autor principal del estudio y profesor de investigación en Salk. «Nuestro equipo construyó el mapa genético, o pangenoma, más completo de la planta hasta la fecha mediante el análisis de casi 200 genomas de cannabis diversos, lo que demuestra que apenas estamos empezando a ver todo el potencial de esta asombrosa planta. Esas mismas restricciones legales 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».

 

Antecedentes: El cannabis como potencia química

Cannabis sativa.El cannabis, también conocido como cáñamo, es una planta con flores originaria de Asia. Posee numerosas características únicas que lo han convertido en un cultivo destacado a lo largo de la historia de la humanidad, como su capacidad para producir fibras resistentes para textiles o sus propiedades medicinales, derivadas de ser una de las pocas plantas que produce grandes cantidades de cannabinoides. 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 una alternativa sostenible al combustible para aviones.

El cannabis 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. Los terpenos crean los exquisitos aromas que nos atraen de las frutas y las flores, mientras que los cannabinoides interactúan con el cuerpo humano para proporcionar numerosas propiedades terapéuticas. Un cannabinoide, 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 100 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. Resolver este misterio ha resultado difícil, dado que el cannabis posee un genoma complejo. En primer lugar, el cannabis 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 lo tanto, son difíciles de rastrear.

 

Descubrimientos clave: Patrones genéticos nuevos y sorprendentemente diversos

Los científicos utilizan una tecnología llamada 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.

“Existen límites a lo que se puede descubrir con las tecnologías de secuenciación de lectura corta, ya que esos fragmentos genéticos cortos son imposibles de ensamblar de forma significativa al analizar regiones complejas del genoma, especialmente secuencias de ADN repetitivas”, afirma la coautora principal Lillian Padgitt-Cobb, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Michael. “Somos de los primeros en aprovechar esta tecnología de lectura larga a gran escala en el contexto del pangenoma, 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”.

Este estudio no es el primero en utilizar secuenciación de lectura larga; de hecho, el propio Michael fue el primer investigador en generar un genoma de cannabis a nivel cromosómico mediante secuenciación de lectura larga en 2018. Este estudio reveló la compleja arquitectura genética donde se sintetizan los cannabinoides y explicó la historia del cultivo de la antiepiléptica 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.

El cannabis es un diploide planta. 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 podido decodificar un cromosoma, también conocido como resolución de haplotipos, el equipo resolvió... ambas Conjuntos de cromosomas de cannabis. Al analizar ambos conjuntos 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 genéticos 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 que existe una diversidad inesperada dentro de la especie. En todo el pangenoma, el 23% de los genes se encontraron en cada genoma, el 55% fueron... hace casi Universales (presentes en el 95%–99% de los genomas), el 21% se encontraban 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 genes 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 el equipo de investigación 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 dos 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. Cabe destacar 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.

 

Mirando hacia el futuro: Optimización de plantas para la salud y la industria

Los investigadores también identificaron objetivos interesantes para la optimización agrícola. En primer lugar, al observar las diferencias entre los genomas europeos y asiáticos, concluyeron que probablemente exista un antiguo pariente del cannabis en algún lugar de Asia esperando ser descubierto. Este pariente silvestre poseerá nuevas adaptaciones genéticas relacionadas con su singular historia ambiental, lo que lo convierte en una fuente inagotable de información para el cultivo de plantas de cannabis más resilientes.

Finalmente, el nuevo conocimiento sobre los cromosomas sexuales reveló que hay genes único Presentes en plantas "padre", que pueden utilizarse para generar descendencia con mejor rendimiento. El cultivo moderno de marihuana aprovecha la "feminización", donde los agricultores inducen a una planta hembra a producir flores masculinas, omitiendo por completo el cromosoma Y. Estos nuevos hallazgos sugieren que los programas de mejoramiento genético podrían estar pasando por alto la valiosa diversidad genética y el potencial de rasgos codificados en esos genomas masculinos omitido. Incorporar plantas macho auténticas en las estrategias de mejoramiento genético podría generar ganancias genéticas pasadas por alto y ampliar las oportunidades de mejora de los cultivos.

“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”, afirma el coautor principal Ryan Lynch, investigador postdoctoral en el laboratorio de Michael. “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, tanto en aplicaciones para la salud humana como en la industria”.

A corto plazo, el equipo espera que el pangenoma sirva como un recurso dinámico que los investigadores de todo el mundo puedan aprovechar y utilizar para informar las estrategias de cultivo, ayudando a aprovechar el potencial sin explotar del cannabis como un valioso cultivo de usos múltiples para obtener fibra, aceite de semillas y medicina.

 

Más sobre este artículo

Otros autores incluyen a Nolan Hartwick, Nicholas Allsing, Anthony Aylward, Allen Mamerto, Justine Kitony, Kelly Colt, Emily Murray, Tiffany Duong, Heidi Chen de Salk; Andrea Garfinkel, Aaron Trippe y Seth Crawford de Oregon CBD; Brian Knaus y Kelly Vining de la Oregon State University; y Philip Bentz, Sarah Carey y Alex Harkess del Instituto HudsonAlpha de Biotecnología.

El trabajo fue apoyado por el Fondo de Genómica Tang, la Fundación Nacional de Ciencias (NSF-IOS PRFB 2209290, IOS-PGRP CAREER 2236530), la Fundación Bill y Melinda Gates (INV-040541) y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA NIFA 2022-67012-38987, USDA NIFA 2023-67013-39620).

DOI: 10.1038/s41586-025-09065-0