Le pangénome du cannabis révèle un potentiel d'utilisation médicinale et industrielle

28 mai 2025

Le pangénome du cannabis révèle un potentiel d'utilisation médicinale et industrielle

Un effort de recherche collaboratif sur plusieurs années produit l'archive génétique la plus complète de la plante de cannabis à ce jour

28 mai 2025

LA JOLLA — Le cannabis est une culture d'importance mondiale depuis des millénaires. Bien qu'il soit aujourd'hui surtout connu sous le nom de marijuana pour son cannabinoïde psychoactif, le THC (tétrahydrocannabinol), le cannabis a toujours été un pilier de la civilisation humaine, fournissant de l'huile de graines, des textiles et de la nourriture pendant plus de 10,000 2014 ans. Aujourd'hui, le cannabis reste une ressource peu étudiée et sous-exploitée, mais les lois américaines adoptées en 2018 et XNUMX ont relancé le développement de cultures de cannabis pour des applications médicinales, céréalières et fibreuses.

Des chercheurs du Salk Institute ont créé l'atlas génétique du cannabis le plus complet, le plus qualitatif et le plus détaillé à ce jour. L'équipe a analysé 193 génomes de cannabis différents (ensembles complets d'informations génétiques), révélant une diversité et une complexité sans précédent, ainsi que des opportunités inexploitées au sein de cette espèce agricole fondamentale. Cette réalisation historique est le fruit d'une collaboration pluriannuelle avec Oregon CBD, l'Université d'État de l'Oregon et l'Institut de biotechnologie HudsonAlpha.

Les résultats, publiés dans Nature le 28 mai 2025, a ouvert la voie à des avancées transformatrices dans l’agriculture, la médecine et l’industrie basées sur le cannabis.

« Le cannabis est l'une des plantes les plus extraordinaires de la planète. Malgré son importance mondiale comme source de médicaments, d'aliments, d'huile de graines et de fibres depuis au moins 10,000 XNUMX ans, il reste l'une des cultures majeures les moins développées des temps modernes, en grande partie à cause d'un siècle de restrictions légales », explique-t-il. Michael Todd, auteur principal de l'étude et professeur-chercheur à Salk. « Notre équipe a établi la carte génétique, ou pangénome, la plus complète de la plante à ce jour en analysant près de 200 génomes de cannabis différents, ce qui montre que nous commençons tout juste à entrevoir le plein potentiel de cette plante étonnante. Ces mêmes restrictions légales ont déclenché une révolution de la sélection clandestine, révélant le pouvoir du cannabis comme usine chimique. Grâce à ce nouveau modèle génomique, nous pouvons désormais appliquer la sélection moderne pour découvrir de nouveaux composés et caractéristiques dans les domaines de l'agriculture, de la médecine et des biotechnologies. »

 

Contexte : Le cannabis, une centrale chimique puissante

Cannabis sativaLe chanvre, également connu sous le nom de chanvre, est une plante à fleurs originaire d'Asie. Ses nombreuses caractéristiques uniques en ont fait une culture importante au cours de l'histoire de l'humanité, comme sa capacité à produire des fibres résistantes pour les textiles ou ses vertus médicinales, l'une des rares plantes à produire de grandes quantités de cannabinoïdes. Des chercheurs suggèrent aujourd'hui que l'huile de cannabis pourrait rivaliser avec le canola ou le soja avec une sélection appropriée, ou que les dérivés du cannabis pourraient même constituer une alternative durable au kérosène.

Le cannabis est une véritable mine d'or chimique. Il peut produire plus de 30 % de son poids sec sous forme de terpènes et de cannabinoïdes, de petites molécules que la plante fabrique pour se protéger des prédateurs, mais que l'homme utilise pour modifier son humeur. Les terpènes créent les arômes exquis qui nous attirent vers les fruits et les fleurs, tandis que les cannabinoïdes interagissent avec le corps humain pour lui conférer de nombreuses propriétés thérapeutiques. Un cannabinoïde, le cannabidiol non psychédélique (CBD), a élargi l'image du cannabis auprès du public lorsque la variété « Charlotte's Web » a été utilisée pour traiter les crises d'épilepsie. Le CBD, le tétrahydrocannabinol (THC) et plus de 100 autres cannabinoïdes peu étudiés ont été utilisés pour traiter diverses affections, notamment la douleur, l'arthrite, les nausées, l'asthme, la dépression et l'anxiété.

Il est important de noter que l'impact de cette sélection sur la diversité génomique du cannabis demeure un mystère. Résoudre ce mystère s'avère difficile, car le cannabis possède un génome complexe. Premièrement, le cannabis fait partie des moins de 5 % de plantes présentant des sexes femelles et mâles distincts. Deuxièmement, les génomes du cannabis contiennent de nombreux éléments transposables, c'est-à-dire des segments d'ADN répétitifs qui peuvent « sauter » dans le génome et sont donc difficiles à suivre.

 

Découvertes clés : des modèles génétiques nouveaux et étonnamment divers

Les scientifiques utilisent une technologie appelée séquençage pour déterminer les structures des acides nucléiques, qui se lient le long des brins d'ADN pour former des paires de bases à travers la double hélice de l'ADN. Les méthodes traditionnelles de séquençage à lecture courte découpent l'ADN pour l'analyser fragment par fragment, quelques centaines de paires de bases à la fois. Les nouvelles techniques de séquençage à lecture longue permettent de capturer milliers de paires de bases à la fois.

« Les découvertes réalisées avec les technologies de séquençage à lecture courte ont des limites, car ces courts extraits génétiques sont impossibles à assembler de manière significative lorsqu'on examine des régions complexes du génome, en particulier des séquences d'ADN répétitives », explique Lillian Padgitt-Cobb, co-auteure principale et chercheuse postdoctorale au laboratoire de Michael. « Nous sommes parmi les premiers à exploiter cette technologie à lecture longue à grande échelle dans le contexte du pangénome, ce qui nous permet d'acquérir des connaissances sur la variation structurelle et l'ordonnancement des gènes, ce qui peut éclairer les décisions finales concernant la sélection de caractéristiques favorables aux plants de cannabis. »

Cette étude n'est pas la première à utiliser le séquençage à lecture longue. En effet, Michael lui-même a été le premier chercheur à générer un génome de cannabis à l'échelle des chromosomes grâce à ce procédé en 2018. Ce séquençage a révélé l'architecture génétique complexe où les cannabinoïdes sont synthétisés et expliqué l'histoire de la reproduction de la toile de Charlotte, un antiépileptique. Cette nouvelle étude se distingue par son exhaustivité. Elle contient le plus grand nombre de génomes à ce jour et est la première à inclure les chromosomes sexuels et, par conséquent, la première à proposer une résolution haplotypique.

Le cannabis est un diploïde Plante. Cela signifie que, comme les humains, elle contient deux jeux de chromosomes, l'un hérité d'une plante mâle, l'autre d'une plante femelle. Alors que la plupart des génomes publiés à ce jour ne permettent de décoder qu'un seul chromosome, ce que l'on appelle la résolution d'haplotypes, l'équipe a résolu tous les deux Ensembles de chromosomes du cannabis. En examinant les deux ensembles de chromosomes, les chercheurs ont révélé une variabilité génétique sans précédent, probablement jusqu'à 20 fois supérieure à celle observée chez l'humain.

« Grâce à cette résolution d’haplotypes », explique Padgitt-Cobb, « nous pouvons examiner ce qui a été hérité d’une seule des plantes mères et commencer à comprendre la reproduction et le contexte de cette plante. »

L'équipe a collecté les génomes de 144 plants de cannabis du monde entier pour assembler 193 génomes au total, dont 181 n'avaient jamais été répertoriés auparavant. Le total du génome est supérieur au total de la plante grâce à cette résolution haplotypique, puisque chaque plante ayant les deux jeux de chromosomes étudiés a produit deux assemblages génomiques. Collectivement, ces nombreux génomes constituent le pangénome, qui a été analysé pour comprendre toute l'étendue de la diversité génétique au sein des espèces de cannabis.

La haute qualité des génomes collectés a permis aux chercheurs de résoudre des modèles génétiques jusqu'alors inédits, notamment l'architecture des gènes responsables de la synthèse des cannabinoïdes et, en incorporant les chromosomes sexuels, un premier aperçu des chromosomes Y du cannabis.

Leur première découverte fut l'existence d'une diversité inattendue au sein de l'espèce. À l'échelle du pangénome, 23 % des gènes étaient présents dans chaque génome, 55 % étaient presque universels (observés dans 95 à 99 % des génomes), 21 % se situaient entre 5 et 94 % des génomes, et moins de 1 % étaient entièrement uniques. Parmi les gènes les plus universels, on trouve ceux qui produisent des cannabinoïdes.

Si les gènes des cannabinoïdes étaient cohérents d'un génome à l'autre, les gènes liés au métabolisme des acides gras, à la croissance et aux défenses ne l'étaient pas. Ces gènes variables constituent un vivier génétique inexploité, et leur sélection sélective pourrait également rendre le cannabis plus robuste sur le terrain ou améliorer la valeur nutritionnelle de l'huile de chanvre, lui permettant ainsi de concurrencer les huiles de graines existantes. L'équipe de recherche a notamment découvert que la variation structurelle de la voie de biosynthèse des acides gras contribue à la production de tétrahydrocannabivarine (THCV), un cannabinoïde rare de type varine qui suscite l'intérêt pour ses effets énergisants non psychoactifs.

En examinant de plus près les gènes cannabinoïdes du pangénome, les chercheurs ont conclu que deux gènes, THCAS et CBDAS, subissent probablement une forte pression sélective due à la sélection humaine pour leur teneur en THC et en CBD. Fait important, ils ont découvert que les gènes cannabinoïdes sont situés dans des éléments transposables. La sélection sélective de gènes à l'intérieur de ces éléments transposables « sauteurs » a, à son tour, créé une immense diversité parmi les plants de cannabis.

 

Perspectives d'avenir : Optimiser les plantes pour la santé et l'industrie

Les chercheurs ont également identifié des cibles intéressantes pour l'optimisation agricole. Tout d'abord, en examinant les différences entre les génomes européens et asiatiques, ils ont conclu qu'il existe probablement un ancien parent du cannabis quelque part en Asie, attendant d'être découvert. Ce parent sauvage présentera de nouvelles adaptations génétiques liées à son histoire environnementale unique, ce qui en fera une mine d'informations pour la sélection de plants de cannabis plus résilients.

Enfin, la nouvelle découverte sur les chromosomes sexuels a révélé qu'il existe des gènes uniquement Présentes dans les plantes « pères », ces données peuvent être utilisées pour obtenir des descendants plus performants. La sélection moderne du cannabis s'appuie sur la « féminisation », où les agriculteurs incitent une plante femelle à produire des fleurs mâles, contournant ainsi entièrement le chromosome Y. Ces nouvelles découvertes suggèrent que les programmes de sélection pourraient manquer une précieuse diversité génétique et le potentiel des caractères codés dans ces génomes mâles contournés. L'intégration de véritables plantes mâles dans les stratégies de sélection pourrait permettre de dégager des gains génétiques négligés et d'élargir les possibilités d'amélioration des cultures.

« Au cours des dix dernières années, les sélectionneurs ont déjà fait du bon travail pour augmenter les rendements et faire du cannabis une culture économiquement viable », déclare Ryan Lynch, co-auteur principal et chercheur postdoctoral au laboratoire de Michael. « Une fois que le marché s'y intéressera, et que ces nouvelles connaissances sur les génomes du cannabis pourront orienter les efforts de sélection, je prévois un véritable essor du chanvre et des huiles de chanvre, tant pour la santé humaine que pour des applications industrielles. »

À court terme, l’équipe espère que le pangénome servira de ressource dynamique sur laquelle les chercheurs du monde entier pourront s’appuyer et s’appuyer pour éclairer les stratégies de culture, contribuant ainsi à réaliser le potentiel inexploité du cannabis en tant que culture polyvalente précieuse cultivée pour les fibres, l’huile de graines et la médecine.

 

En savoir plus sur cet article

Les autres auteurs incluent Nolan Hartwick, Nicholas Allsing, Anthony Aylward, Allen Mamerto, Justine Kitony, Kelly Colt, Emily Murray, Tiffany Duong, Heidi Chen de Salk ; Andrea Garfinkel, Aaron Trippe et Seth Crawford de l'Oregon CBD ; Brian Knaus et Kelly Vining de l'Oregon State University ; et Philip Bentz, Sarah Carey et Alex Harkess de l'HudsonAlpha Institute for Biotechnology.

Le travail a été soutenu par le fonds de génomique Tang, la National Science Foundation (NSF-IOS PRFB 2209290, IOS-PGRP CAREER 2236530), la Fondation Bill et Melinda Gates (INV-040541) et le ministère américain de l'Agriculture (USDA NIFA 2022-67012-38987, USDA NIFA 2023-67013-39620).

DOI: 10.1038/s41586-025-09065-0