Cannabis und Hopfen teilen uralte Geschlechtsgene

Cannabispflanzen wachsen nicht alle auf dieselbe Weise. Manche bilden ausschliesslich weibliche Blüten, andere entwickeln männliche Blüten, und einige tragen beide.

Dieser Unterschied ist für Anbauer von grosser Bedeutung, denn das Blütengeschlecht beeinflusst alles – von der Qualität der Ernte über die Züchtung bis zum Zeitpunkt der Ernte.

Wissenschafter haben nun eine kleine Gruppe von Genen identifiziert, die diese Ergebnisse offenbar mitsteuert.

Die Entdeckung erklärt nicht nur besser, wie sich Cannabispflanzen entwickeln. Sie zeigt auch, dass Cannabis und Hopfen noch Millionen Jahre nach der Aufspaltung beider Pflanzenlinien uralte, mit der Blüte verknüpfte Geschlechtsgene gemeinsam haben.

Die DNA hinter dem Pflanzengeschlecht

In einem schmalen Abschnitt des Cannabis-X-Chromosoms bündelt sich das Signal, das das Pflanzengeschlecht steuert, in einer einzigen klar abgegrenzten DNA-Region.

Matteo Toscani vom University College Dublin (UCD) zeigte durch die Kartierung der Vererbung männlicher, weiblicher und gemischter Merkmale, dass drei benachbarte Gene verlässlich mit diesen Ausprägungen übereinstimmten.

Dieselbe Region unterscheidet Pflanzen mit ausschliesslich weiblichen Blüten von jenen, die beide Geschlechter ausbilden. Damit wird deutlicher, wie ein einziges Genom mehrere Fortpflanzungsformen hervorbringen kann.

Da der Effekt von einer kompakten genetischen Zone und nicht von einem einzelnen Gen ausgeht, deutet das Ergebnis auf ein abgestimmtes System hin. Wie jede einzelne Komponente zum Endergebnis beiträgt, muss noch geklärt werden.

Wie das Geschlecht die Kulturen beeinflusst

Die meisten Blütenpflanzen bilden männliche und weibliche Teile in derselben Blüte, bei Cannabis sind diese Funktionen jedoch gewöhnlich auf unterschiedliche Pflanzen verteilt.

Weibliche Cannabis sativa-Pflanzen besitzen zwei X-Chromosomen, während männliche Pflanzen meist ein X- und ein Y-Chromosom tragen, darunter Gene, die häufig mit Männlichkeit verbunden sind.

Einige Hanflinien weichen von diesem Muster ab und bringen beide Blütentypen auf einer Pflanze hervor. Das verschafft Züchtern ein nützliches, aber anspruchsvolles Merkmal.

„Welches dieser Gene bestimmt, ob eine Pflanze männlich oder weiblich wird, ist unbekannt“, sagte der leitende Autor der Studie, Rainer Melzer, Assistenzprofessor am UCD.

Eine überraschende genetische Entdeckung

Viele Menschen lernen, dass Y-Chromosomen die Männlichkeit bestimmen. Das Signal bei Cannabis lag jedoch stattdessen auf dem X-Chromosom.

Die Hinweise zeigten auf eine kleine Region des X-Chromosoms und nicht auf das Y-Chromosom, was den üblichen Erwartungen aus der menschlichen Genetik und von vielen Tieren widerspricht.

„Wir waren ziemlich überrascht“, sagte Toscani. Dieses Ergebnis passte zu älteren Hanfstudien über Faser-Cannabis und lenkte die Forschung auf Gene, die aktiv sind, bevor Blüten sichtbar männlich oder weiblich werden.

Drei Gene arbeiten zusammen

Innerhalb von 60.000 DNA-Bausteinen hob das Team CsREM16, lncREM16 und CsKAN4 hervor – drei Gene mit unterschiedlichen Aktivitätsmustern.

CsREM16 war in weiblichen und gemischten Pflanzen aktiv, während lncREM16 vor allem in männlichen Proben vorkam und möglicherweise weibliche Signale blockiert.

Eine geringere Aktivität von CsKAN4 kennzeichnete Pflanzen mit gemischten Blüten; diese Veränderung könnte die Hormonsteuerung lockern, die normalerweise die weibliche Entwicklung begünstigt.

Statt eines einzelnen allein wirkenden Gens scheint der Schalter aus drei Genen zu bestehen, deren Aktivität Pflanzen in unterschiedliche Geschlechtsformen lenkt.

Gemeinsame Gene bei Hopfen und Cannabis

Hopfen, die Braupflanze Humulus lupulus, besitzt verwandte REM16- und KAN4-Gene in einer entsprechenden Nachbarschaft auf dem X-Chromosom.

Frühere Forschung ordnete Cannabis und Hopfen demselben alten Paar von Geschlechtschromosomen zu; die gemeinsamen geschlechtsgebundenen Gene werden auf etwa 12 bis 28 Millionen Jahre datiert.

Weil die neu gefundenen Gene in dieser alten Region liegen, entstand das gemeinsame Steuerungssystem wahrscheinlich bereits vor der Aufspaltung beider Pflanzenlinien.

Hopfenpflanzen zeigen die gemischte Blütenbildung allerdings nur selten, weshalb sich die Details nach der Trennung der Linien vermutlich verändert haben.

Warum Anbauer weibliche Pflanzen bevorzugen

Brauer benötigen weibliche Hopfenpflanzen, weil nur sie Dolden bilden – die papierartigen Blütenstände, die Bier sein Aroma und seinen Geschmack verleihen.

Cannabisanbauer bevorzugen häufig weibliche Pflanzen, da ihre Blütenstände Harz produzieren, das reich an pflanzlichen Chemikalien, den Cannabinoiden, einschliesslich Cannabidiol ist.

Für Faserhanf können Pflanzen mit gemischten Blüten gleichmässiger wachsen, weil Felder unterschiedliche Entwicklungszeiten zwischen männlichen und weiblichen Pflanzen vermeiden.

Eine verlässliche Geschlechtsvorhersage könnte Anbauern helfen, unerwünschte Pflanzen frühzeitig zu entfernen und so Platzverschwendung, Arbeitsaufwand und Ertragseinbussen zu verringern.

Das Pflanzengeschlecht ist nicht unveränderlich

Die Monoecy1 genannte DNA-Zone, die mit gemischter Blüte verbunden ist, erklärte rund 15% des Merkmals und lässt damit Raum für weitere Einflüsse.

In der zweiten Generation des Teams bestanden die blühenden Pflanzen aus 43 Prozent weiblichen, 29 Prozent gemischten und 20.1 Prozent männlichen Pflanzen.

Auch der mütterliche Hintergrund spielte eine Rolle: Der Anteil männlicher Nachkommen lag je nach weiblicher Elternpflanze, die die Samen erzeugte, zwischen 6.8 Prozent und 35.9 Prozent.

Diese Zahlen warnen Züchter davor, dass ein einzelner DNA-Marker Entscheidungen zwar unterstützen kann, die Entwicklung jeder Pflanze jedoch nicht garantiert.

Die Evolution hinterliess genetische Spuren

Genverluste häuften sich nahe demselben Chromosomenende und zeigten, dass das Y-Chromosom im Laufe der Zeit passende Kopien eingebüsst hat.

Das Team schätzte, dass 40 Prozent der in dieser Region kodierten Proteine keinen eindeutigen Partner auf dem Y-Chromosom hatten.

Solche Verluste entstehen, wenn X- und Y-Chromosomen keine DNA mehr austauschen, sodass sich Unterschiede über Generationen hinweg ansammeln können.

Bei Cannabis liegt das älteste Signal der Aufspaltung nahe derselben Stelle wie die neu kartierte Region zur Geschlechtssteuerung.

Das Pflanzengeschlecht früher vorhersagen

Züchter könnten diese Karte für frühe Tests nutzen, die das wahrscheinliche Pflanzengeschlecht anzeigen, bevor Felder mit unerwünschten Blüten gefüllt sind.

Anhand einer Blattprobe könnte sich feststellen lassen, ob Keimlinge Varianten dieser Region tragen, die mit weiblichem oder gemischtem Blütenwachstum verbunden sind.

Die Arbeit benennt jedoch Kandidatengene und liefert noch kein fertiges Werkzeug, denn die Forschenden müssen zunächst nachweisen, dass diese Gene die Blütenentwicklung unmittelbar steuern.

Künftige Versuche können die Gene ein- oder ausschalten und prüfen, ob sich die Blütenmuster dadurch verändern.

Die neue Karte verbindet Blütengeschlecht, Anbauplanung und Chromosomenentwicklung in einer kompakten DNA-Region mit gemeinsamen Genen bei Cannabis und Hopfen.

Für Landwirte und Brauer könnte der unmittelbare Nutzen in einer besseren Vorhersage liegen, während eine direkte genetische Steuerung weitere Tests erfordert.