קנאביס היה יבול חשוב בעולם במשך אלפי שנים. בעודו הידוע כיום בשם מריחואנה בזכות ה- THC הקנבינואיד הפסיכואקטיבי שלה (Tetrahydrocannabinol), באופן היסטורי, קנאביס היה אבן יסוד של התרבות האנושית, מספקת שמן זרעים, טקסטיל ומזון במשך יותר מ -10,000 שנה. כיום, קנאביס נותר משאב מוערך ומנוצל, אך החקיקה של ארצות הברית שהתקבלה בשנת 2014 ו -2018, הוענקה מחדש את התפתחות היבול של קנאביס ליישומי רפואה, תבואה וסיבים.
חוקרים ממכון סאלק יצרו עד כה את האטלס הגנטי המקיף ביותר, האיכותי והמפורט ביותר של קנאביס. הצוות ניתח 193 גנומים שונים של קנאביס (קבוצות שלמות של מידע גנטי), וחשף מגוון חסר תקדים, מורכבות והזדמנות בלתי מנוצלת בתוך מין חקלאי יסודי זה. הישג ציוני דרך זה היה תוצאה של שיתוף פעולה רב-שנתי עם אורגון CBD, אוניברסיטת אורגון סטייט, ומכון ההדונאלפה לביוטכנולוגיה.
הממצאים, שפורסמו ב טֶבַע ב- 28 במאי 2025, קבעו את הבמה להתקדמות טרנספורמטיבית בחקלאות, רפואה ותעשייה מבוססי קנאביס.
קנאביס הוא אחד הצמחים יוצאי הדופן ביותר בכדור הארץ. למרות חשיבותו הגלובלית כמקור לרפואה, מזון, שמן זרעים וסיבים תזונתיים לפחות ב -10,000 השנים האחרונות, הוא נותר אחד הגידולים העיקריים הפחות מפותחים של התקופה המודרנית, בעיקר בגלל מאה של מגבלות משפטיות. הצוות שלנו בנה את המפה הגנטית השלמה ביותר, או פנגנום, של הצמח עד כה על ידי ניתוח כמעט 200 גנום קנאביס מגוון, והראה שאנחנו רק מתחילים לראות את מלוא הפוטנציאל של הצמח המדהים הזה. אותן מגבלות משפטיות דרבנו מהפכת גידול תת קרקעית, וחשפו את כוחו של קנאביס כמפעל כימי. בעזרת התוכנית הגנומית החדשה הזו, אנו יכולים כעת ליישם גידול מודרני כדי לפתוח תרכובות ותכונות חדשות על פני חקלאות, רפואה וביוטכנולוגיה. "
טוד מייקל, מחבר הבכיר של פרופסור המחקר והמחקר בסלק
רקע: קנאביס כעצמה כימית
קנאביס סטיבההמכונה גם קנבוס, הוא צמח פורח יליד אסיה. לקנאביס יש הרבה תכונות ייחודיות שהפכו אותו לגידול בולט במהלך ההיסטוריה האנושית, כמו יכולתו לייצר סיבים חזקים לטקסטיל או תכונותיו הרפואיות הנובעות מהיותו אחד הצמחים הבודדים כדי ליצור כמויות גבוהות של קנבינואידים. חדשנים מציעים כיום כי שמן קנאביס יכול להתחרות בקנולה או סויה עם גידול נכון, או שנגזרות קנאביס אפילו יכולות לשמש כאלטרנטיבה בת -קיימא לדלק סילון.
קנאביס הוא מעצמה כימית. זה יכול לייצר יותר מ -30% במשקל יבש כטרפנים וקנבינואידים, כימיקלים קטנים שהצמח עושה כדי להגן מפני טורפים, ובכל זאת בני אדם ממנפים למטרות משנות מצב רוח. טרפנים יוצרים את הניחוחות המעודנים שמושכים אותנו לפירות ופרחים, ואילו קנבינואידים מקיימים אינטראקציה עם גוף האדם כדי לספק תכונות טיפוליות רבות. קנבינואיד אחד, הקנאבידיול הלא-פסיכדלי (CBD), הרחיב את השקפתו של הציבור על קנאביס כאשר זן "שרלוט של שרלוט" שימש לטיפול בהתקפים אפילפטיים. CBD, Tetrahydrocannabinol (THC), ולמעלה ממאה קנבינואידים שנחקרו בצורה לא טובה שימשו לטיפול במגוון מחלות, כולל כאבים, דלקת פרקים, בחילה, אסטמה, דיכאון וחרדה.
חשוב לציין כי ההשפעה של גידול סלקטיבי זו על המגוון הגנומי של קנאביס נותרה תעלומה. פתרון תעלומה זו הוכיח כקשה שכן לקנאביס יש גנום מסובך. ראשית, קנאביס הוא בין פחות מ- 5% מהצמחים שיש להם מינים נשיים וזכריים מובחנים בצמחים נפרדים. שנית, גנום קנאביס מכיל אלמנטים רבים הניתנים להחלפה, שהם מתיחות חוזרות ונשנות של DNA שיכולות "לקפוץ" סביב הגנום ולכן קשה לעקוב אחריהם.
תגליות מפתח: דפוסים גנטיים חדשים ומגוונים באופן מפתיע
מדענים משתמשים בטכנולוגיה הנקראת רצף כדי לקבוע את דפוסי חומצות הגרעין, המתחברות על פני הסליל הכפול של DNA ליצירת זוגות בסיס, לאורך גדילי DNA. שיטות רצף מסורתיות לקריאה קצרה קוצצות את ה- DNA כדי לחקור אותו חתיכה אחר חתיכה, רק כמה מאות זוגות בסיס בכל פעם. טכניקות רצף ארוכות קריאה חדשות יותר יכולות ללכוד אלפים של זוגות בסיס בבת אחת.
"יש גבולות למה שאתה יכול לגלות עם טכנולוגיות רצף קצרות קריאה, מכיוון שאותם קטעים גנטיים קצרים אי אפשר לתפור יחד בשום דרך משמעותית כאשר מסתכלים על אזורים מורכבים בגנום, במיוחד רצפי DNA החוזרים על עצמם", אומרת הסופרת המשותפת ליליאן פדגיט-קוב, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה של מיכאל. "אנו בין הראשונים לרתום את הטכנולוגיה הקריאה הזו בקנה מידה בהקשר של הפנגנום, ועם זה מגיעות כל התובנות הללו לגבי וריאציה מבנית וסדר גנים שיכולים ליידע החלטות במשחק קצה על גידול תכונות חיוביות לצמחי קנאביס."
המחקר אינו הראשון שהשתמש ברצף לקריאה ארוכת שנים, מייקל עצמו היה החוקר הראשון שיצר גנום ברמת כרומוזום של קנאביס באמצעות רצף ארוך קריאה בשנת 2018, שחשף ארכיטקטורה גנטית מורכבת בה מסונתזים קנאבינואידים, והסביר את ההיסטוריה של הרבייה מאחורי האינטרנט של אנטי-אפרטפטיקה של שרלוט. כאשר המחקר החדש הזה נפרד זה מזה הוא השלמות שלו. הוא מכיל את הכי הרבה גנומים עד כה, והוא הראשון שכולל כרומוזומי מין, ובאופן קשור, הראשון שיש לו רזולוציה של הפוטוטיפ.
קנאביס הוא א דיפלואיד לִשְׁתוֹל. המשמעות היא שכמו בני אדם, הוא מכיל שתי קבוצות של כרומוזומים, סט האחד שירש מצמח זכר והשני מצמח נקבה. בעוד שרוב הגנומים שפורסמו עד כה הצליחו רק לפענח כרומוזום אחד, המכונה גם רזולוציית הפלוטיפ, הצוות נפתר שְׁנֵיהֶם סטים של כרומוזומי קנאביס. על ידי התבוננות בשתי מערכות הכרומוזומים, החוקרים חשפו כמות חסרת תקדים של וריאציה גנטית, ככל הנראה עד פי 20 מזה של בני אדם.
"עם רזולוציית ההפלוטיפ הזו", מסביר פדגיט-קוב, "אנחנו יכולים להסתכל על מה שעבר בירושה רק מאחד מצמחי ההורים ולהתחיל להבין את הרבייה והרקע של אותו צמח."
המחקר של הצוות אסף גנום מ -144 צמחי קנאביס שונים מרחבי העולם כדי להרכיב 193 גנום בסך הכל -181 שמעולם לא קוטלגו לפני כן. סך הגנום גדול מסך הצמח בגלל אותה רזולוציה של ההפלוטייפ, מכיוון שכל צמח ששני ערכות הכרומוזומים שנחקרו ייצר שני מכלולי גנום. באופן קולקטיבי, הגנומים הרבים הללו מהווים את הפנגנום, שניתח כדי להבין את מלוא היקף המגוון הגנטי בתוך מין הקנאביס.
האיכות הגבוהה של הגנומים שנאספו אפשרה לחוקרים לפתור דפוסים גנטיים שלא נראו בעבר, כולל ארכיטקטורה של גנים האחראים לסינתזת קנבינואידים, ועל ידי שילוב כרומוזומי מין, מבט ראשון על כרומוזומי קנאביס.
התגלית הראשונה שלהם הייתה שיש גיוון בלתי צפוי בתוך המין. ברחבי הפנגנום, 23% מהגנים נמצאו בכל גנום, 55% היו כִּמעַט אוניברסלי (נראה ב 95% –99% מהגנומים), 21% היו בין 5% ל 94% מהגנומים, ופחות מ- 1% היו ייחודיים לחלוטין. כמה מהגנים האוניברסליים ביותר היו אלה המייצרים קנבינואידים.
בעוד גנים קנבינואידים היו עקביים בין גנום, גנים הקשורים למטבוליזם של חומצות שומן, צמיחה והגנה לא היו. גנים משתנים אלה הם בריכת גידול בלתי מנוצלת, והגידול הסלקטיבי שלהם יכול גם להפוך את הקנאביס לחזק יותר בשדה או לשפר את תכולת התזונה של שמן קנבוס כדי להפוך אותו למתחרה בין שמני זרעים קיימים. ראוי לציין כי צוות המחקר גילה כי וריאציה מבנית במסלול הביוסינתטי של חומצות השומן תורמת לייצור טטרה-הידרוקאנביברין (THCV), קנבינואיד נדיר מסוג ורין זוכה לתשומת לב בגלל ההשפעות הלא-פסיכואקטיביות והמניעות שלו.
החוקרים, תוך התבוננות מקרוב על גנים קנבינואידים ברחבי הפנגנום, הגיעו למסקנה כי שני גנים, THCAs ו- CBDA, ככל הנראה נמצאים בלחץ סלקטיבי חזק מצד גידול מכוון לבני אדם לתוכן THC ו- CBD. חשוב לציין כי הם מצאו כי גנים קנבינואידים ממוקמים באלמנטים הניתנים להחלפה. גידול סלקטיבי לגנים בתוך אלמנטים הניתנים לניתוח "קפיצה", יצר, בתורו, גיוון עצום בקרב צמחי קנאביס.
במבט קדימה: אופטימיזציה של צמחים לבריאות ותעשייה
החוקרים זיהו גם יעדים מעניינים לאופטימיזציה חקלאית. ראשית, על ידי התבוננות בהבדלים בין גנומים אירופיים לאסיה, הם הגיעו למסקנה כי ככל הנראה, קרוב משפחה קנאביס עתיק אי שם באסיה שהמתין להתגלות. קרוב משפחה פרוע זה יהיו בעלי התאמות גנטיות חדשות הקשורות להיסטוריה הסביבתית הייחודית שלה, מה שהופך אותו לשפע של מידע לגידול צמחי קנאביס שהם גידולים עמידים יותר.
לבסוף, התובנה הרומנטית על כרומוזומי מין חשפה כי ישנם גנים רַק נוכח בצמחי "אב" שניתן להשתמש בהם כדי לגדל צאצאים בעלי ביצועים טובים יותר. גידול מריחואנה מודרנית ממנפת "פמיניזציה", שם החקלאים גורמים לצמח נשי להפוך פרחים זכריים לעקוף את הכרומוזום Y. ממצאים חדשים אלה מראים שתוכניות גידול עשויות להיות חסרות גיוון גנטי יקר ופוטנציאל תכונה המקודדים באותם גנומים זכריים עוקפים. שילוב צמחים גברים אמיתיים באסטרטגיות גידול עלול לפתוח רווחים גנטיים שהתעלמו מהם ולהרחיב הזדמנויות לשיפור היבול.
"בעשר השנים האחרונות, מגדלים כבר עשו עבודה הגונה להעלות את התשואות ולהפוך את הקנאביס ליבול בר-קיימא מבחינה כלכלית", אומר הסופר הראשון, ראיין לינץ ', חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה של מייקל. "ברגע שיש שם עניין בשוק, בשילוב עם התובנות החדשות הללו לגבי גנום קנאביס שיכולים להנחות מאמצי גידול, אני יכול לראות שמני קנבוס ופנפ ממש פורחים הן בבריאות האדם והן ביישומים בתעשייה."
בטווח הקצר, הצוות מקווה שהפנגנום ישמש כמשאב דינאמי עבור חוקרים ברחבי העולם לבנות עליהם ולהידע כדי ליידע אסטרטגיות טיפוח, ויעזור לממש את הפוטנציאל הבלתי מנוצל של קנאביס כיבול רב-שימושי יקר שגדל לסיבים, שמן זרעים ורפואה.
עוד על מאמר זה
מחברים אחרים כוללים את נולן הרטוויק, ניקולס אולסינג, אנתוני איילורד, אלן ממרטו, ג'סטין קיטוני, קלי קולט, אמילי מוריי, טיפאני דונג, היידי חן מסלק; אנדראה גרפינקל, אהרון טריפה וסת קרופורד מאורגון CBD; בריאן קנאוס וקלי וינינג מאוניברסיטת אורגון; ופיליפ בנץ, שרה קארי ואלכס הארקס ממכון הדונאלפה לביוטכנולוגיה.
היצירה נתמכה על ידי קרן הגנומיקה של טאנג, הקרן הלאומית למדע (NSF-IOS PRFB 2209290, IOS-PGRP קריירה 2236530), קרן ביל ומלינדה גייטס (Inv-040541), ומחלקת החקלאות האמריקאית (USDA NIFA 2022-67012-3887).
