Cannabis et houblon : trois gènes anciens qui contrôlent le sexe des fleurs

Les plants de cannabis ne se développent pas tous de la même manière. Certains ne portent que des fleurs femelles, d’autres ne forment que des fleurs mâles, et d’autres encore produisent les deux types.

Pour les cultivateurs, cette différence est déterminante, car le sexe des fleurs influence à la fois la qualité de la récolte, les programmes de sélection et le calendrier de récolte.

Des chercheurs viennent désormais de repérer un petit ensemble de gènes qui semble participer au contrôle de ces résultats.

Cette avancée éclaire non seulement le développement des plants de cannabis, mais montre aussi que le cannabis et le houblon partagent encore des gènes du sexe très anciens, associés à la floraison, des millions d’années après la séparation évolutive des deux espèces.

L’ADN à l’origine du sexe des plantes

Sur une courte portion du chromosome X du cannabis, le signal qui pilote le sexe de la plante se concentre dans une zone d’ADN unique, très délimitée.

En retraçant la transmission héréditaire des caractères mâles, femelles et mixtes, Matteo Toscani (University College Dublin, UCD) a mis en évidence que trois gènes voisins correspondaient de façon constante à ces issues.

Cette même région permet aussi de distinguer les plants exclusivement femelles de ceux qui portent des fleurs des deux sexes, ce qui explique comment un seul génome peut conduire à plusieurs formes reproductives.

Comme l’effet semble provenir d’un segment génétique compact impliquant plusieurs gènes plutôt que d’un seul, ces résultats suggèrent un mécanisme coordonné qui demande encore à être expliqué, notamment le rôle précis de chacun des éléments dans l’issue finale.

Comment le sexe influence les cultures

La plupart des plantes à fleurs réunissent organes mâles et femelles au sein d’une même fleur, alors que le cannabis répartit généralement ces fonctions sur des plants distincts.

Chez Cannabis sativa, les plants femelles possèdent deux chromosomes X, tandis que les plants mâles portent le plus souvent un chromosome X et un chromosome Y, avec des gènes fréquemment associés au caractère mâle.

Certaines lignées de chanvre s’écartent toutefois de ce schéma en produisant les deux types de fleurs sur un même individu, une particularité utile pour la sélection mais difficile à maîtriser.

« Le gène qui détermine si une plante devient mâle ou femelle parmi ceux-ci est inconnu », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Rainer Melzer, professeur assistant à l’UCD.

Une découverte génétique inattendue

Beaucoup de personnes apprennent que le chromosome Y est le principal déterminant du sexe mâle ; or, dans le cannabis, le signal observé se trouvait sur le chromosome X.

Les données désignaient une petite zone du chromosome X, et non le chromosome Y, ce qui va à l’encontre de l’attente habituelle issue de l’exemple humain et de nombreux animaux.

« Nous avons été assez surpris », a expliqué Toscani. Cette observation concordait avec des travaux plus anciens sur le chanvre de type fibre et a orienté l’équipe vers des gènes actifs avant que les fleurs ne deviennent visiblement mâles ou femelles.

Trois gènes agissent de concert

Sur environ 60,000 lettres d’ADN, l’équipe a pointé CsREM16, lncREM16 et CsKAN4 - trois gènes dont les profils d’activité diffèrent.

CsREM16 s’exprimait chez les plants femelles et chez les plants mixtes, tandis que lncREM16 apparaissait surtout dans les échantillons mâles et pourrait freiner des signaux de féminisation.

Une activité plus faible de CsKAN4 caractérisait les plants à floraison mixte ; cette modification pourrait relâcher un contrôle hormonal qui favorise habituellement le développement femelle.

Plutôt qu’un interrupteur génétique unique, l’ensemble évoque donc trois gènes dont l’activité relative oriente la plante vers différentes formes sexuelles.

Gènes partagés chez le houblon et le cannabis

Le houblon, plante brassicole Humulus lupulus, possède des gènes apparentés à REM16 et KAN4 situés dans un voisinage comparable sur le chromosome X.

Des études antérieures plaçaient déjà cannabis et houblon sur la même paire ancestrale de chromosomes sexuels, avec des gènes liés au sexe communs datés d’environ 12 à 28 millions d’années.

Puisque les nouveaux gènes se trouvent dans cette zone ancienne, le système de contrôle partagé a probablement émergé avant la divergence des deux lignées.

Cependant, le houblon présente rarement une floraison mixte ; les mécanismes détaillés ont donc vraisemblablement évolué après la séparation.

Pourquoi les cultivateurs recherchent des femelles

En brasserie, on privilégie les plants femelles de houblon, car ce sont eux qui produisent les cônes, ces grappes florales papyracées responsables de l’arôme et de la saveur de la bière.

Du côté du cannabis, les producteurs recherchent souvent les femelles, car leurs inflorescences génèrent une résine riche en substances végétales appelées cannabinoïdes, dont le cannabidiol.

Pour le chanvre destiné à la fibre, les plants à floraison mixte peuvent offrir une croissance plus régulière, car les champs évitent les décalages de calendrier entre plants mâles et femelles.

Pouvoir prévoir le sexe de manière fiable aiderait à éliminer tôt les plants indésirables, ce qui limiterait l’espace perdu, la main-d’œuvre inutile et les pertes de rendement.

Le sexe des plantes n’est pas figé

Baptisée Monoecy1, la zone d’ADN associée à la floraison mixte n’expliquait qu’environ 15% du caractère, ce qui laisse une place importante à d’autres facteurs.

Dans la deuxième génération étudiée par l’équipe, la descendance en floraison comprenait 43 percent de femelles, 29 percent de plants mixtes et 20.1 percent de mâles.

L’origine maternelle comptait également : la proportion de descendants mâles allait de 6.8 percent à 35.9 percent selon la plante femelle ayant produit les graines.

Ces résultats rappellent aux sélectionneurs qu’un seul marqueur d’ADN peut orienter des choix, sans pour autant assurer à coup sûr le devenir de chaque plant.

L’évolution a laissé des traces génétiques

Des pertes de gènes se concentraient près de la même extrémité chromosomique, indiquant que le chromosome Y a progressivement perdu des copies correspondantes au fil du temps.

Les chercheurs estiment que 40 percent des protéines codées dans cette région n’avaient pas d’équivalent clairement identifiable sur le chromosome Y.

Ce type d’érosion s’accumule lorsque les chromosomes X et Y cessent d’échanger de l’ADN, ce qui permet aux différences de s’installer d’une génération à l’autre.

Chez le cannabis, le signal de divergence le plus ancien se situe précisément près du secteur où la région de contrôle du sexe vient d’être cartographiée.

Prédire plus tôt le sexe des plants

Les sélectionneurs pourraient transformer cette cartographie en tests précoces capables d’indiquer le sexe probable avant que les parcelles ne se remplissent de fleurs non souhaitées.

Un simple prélèvement de feuille pourrait révéler si des plantules portent des versions de la région associées à une croissance femelle ou à une floraison mixte.

Pour autant, il s’agit encore de gènes candidats plutôt que d’un outil finalisé : il faut d’abord démontrer que ces gènes contrôlent directement le développement floral.

De futures expériences pourront activer ou désactiver ces gènes afin d’observer si la distribution des types de fleurs se modifie.

Cette nouvelle carte relie, au sein d’une région d’ADN compacte, le sexe des fleurs, l’organisation des cultures et l’évolution des chromosomes, avec des gènes communs au cannabis et au houblon.

Pour les agriculteurs et les brasseurs, l’intérêt le plus immédiat pourrait résider dans une meilleure prédiction, tandis que la preuve d’un contrôle génétique direct dépendra de validations supplémentaires.