Fenotyp, genotyp, chemotyp — trzy pojęcia, które mylą się najczęściej

Fenotyp konopi to zbiór cech, które w konkretnej roślinie da się obejrzeć, zmierzyć i opisać: pokrój, rozgałęzienie, barwa, kształt blaszki liściowej, zapach, skład chemiczny. Genotyp to zapis w DNA, z którym ta roślina wyszła z nasiona. Chemotyp jest wąskim wycinkiem fenotypu — proporcją kannabinoidów, którą wykazuje analiza laboratoryjna. Trzy słowa opisują więc trzy różne piętra tej samej rośliny: dziedziczne, obserwowalne i mierzalne. Zamienne używanie ich odbiera zdaniu sens, bo każde odpowiada na inne pytanie i ustala się je innym narzędziem.

Największa pomyłka jest zawsze ta sama: ktoś mówi „fenotyp”, mając na myśli coś, co da się powielić. A fenotyp z definicji nie jest dziedziczny. Dziedziczy się genotyp; fenotyp powstaje dopiero tam, gdzie genotyp spotyka się z warunkami, w których roślina wyrosła. Poniżej: skąd wzięło się to rozróżnienie, dlaczego jeden genotyp nie ma jednego wyglądu, jak liczbowo zdefiniowano chemotypy od I do V, dlaczego rośliny z jednej paczki nasion bywają do siebie niepodobne i co naprawdę znaczy „pheno hunt”.

Trzy piętra, trzy narzędzia, trzy różne odpowiedzi

Relacja między pojęciami nie jest równoległa, tylko zagnieżdżona. Genotyp jest przyczyną, fenotyp skutkiem, a chemotyp jednym z wielu możliwych pomiarów tego skutku — tak jak wzrost człowieka jest jednym z pomiarów jego fenotypu, a nie osobną kategorią obok niego. Dlatego zdanie „ta roślina ma chemotyp III” jest zdaniem o fenotypie, tyle że wyrażonym liczbą zamiast przymiotnikiem.

Poziom opisu	Odpowiada na pytanie	Czym się go ustala	Co się dzieje w potomstwie
Genotyp	Co roślina ma zapisane w DNA	Sekwencjonowanie, markery molekularne	Przekazywany, ale w rozbiciu — każde nasiono dostaje inną kombinację
Fenotyp	Jak ta konkretna roślina wyszła	Obserwacja i pomiar: pokrój, barwa, zapach, morfologia	Nie przekazywany wprost; odtwarza się tylko przez rozmnażanie wegetatywne
Chemotyp	Jaka jest proporcja głównych kannabinoidów	Chromatografia cieczowa lub gazowa	Sama proporcja dziedziczy się niemal podręcznikowo; wartości bezwzględne — nie

Ostatnia kolumna jest tu najważniejsza i to ona rozstrzyga większość sporów. Chemotyp zachowuje się w krzyżowaniach zupełnie inaczej niż wygląd — i właśnie dlatego botanicy oparli na nim klasyfikację, zamiast trzymać się cech, które widać gołym okiem.

Fasola z Kopenhagi: eksperyment, który wprowadził oba słowa do języka

Rozróżnienie nie powstało przy konopiach ani przy żadnej roślinie ozdobnej — powstało na fasoli. Duński botanik Wilhelm Johannsen pracował na przełomie XIX i XX wieku na Phaseolus vulgaris, gatunku samopylnym, co miało kluczowe znaczenie dla wyniku. Wyprowadził z pojedynczych roślin tak zwane linie czyste: potomstwo jednej samozapylonej rośliny, praktycznie jednorodne genetycznie. Następnie zważył tysiące nasion.

Wynik z 1903 roku był dla ówczesnych hodowców zaskakujący. Wewnątrz jednej linii czystej nasiona różniły się masą, i to wyraźnie, ale wybieranie do rozmnożenia najcięższych albo najlżejszych z nich nie przesuwało średniej następnego pokolenia. Selekcja działała wyłącznie przy porównywaniu różnych linii między sobą. Zmienność wewnątrz linii istniała naprawdę, tylko nie miała podłoża dziedzicznego: brała się z położenia strąka, dostępu do zasobów, przypadku rozwojowego.

W 1909 roku Johannsen nazwał obie warstwy w Elemente der exakten Erblichkeitslehre: dziedziczny zapis to genotyp, to, co z niego wyrosło i co da się zobaczyć — fenotyp. W tej samej pracy wprowadził słowo „gen”. Konopie są pod tym względem przeciwieństwem fasoli: to gatunek dwupienny i wiatropylny, więc linii czystych praktycznie się w nim nie uzyskuje, a każde nasiono jest wynikiem krzyżowania obcego. Wszystko, co u Johannsena było wyjątkiem, tutaj jest regułą.

Norma reakcji, czyli dlaczego genotyp nie jest przepisem na jeden wygląd

Skoro fenotyp powstaje ze spotkania genotypu z warunkami, to jednemu genotypowi nie odpowiada jeden wygląd, lecz cały ich zakres. Genetycy nazywają go normą reakcji — termin wprowadził w 1909 roku niemiecki zoolog Richard Woltereck, badając rozwielitki z rodzaju Daphnia. Klonalne linie tych skorupiaków wytwarzały wyrostki na głowie o różnej wysokości zależnie od warunków, a co istotniejsze — różne linie reagowały na te same warunki różnie. Reakcja genotypu nie jest punktem. Jest krzywą.

Najpełniejszy dowód dla roślin dostarczyli botanicy z Carnegie Institution: Jens Clausen, David Keck i William Hiesey. W latach trzydziestych i czterdziestych XX wieku rozcinali pojedyncze rośliny krwawnika (Achillea) i pięciornika (Potentilla) na klony, po czym sadzili części tej samej rośliny w trzech ogrodach doświadczalnych w Kalifornii, na różnych wysokościach: pod Stanford blisko poziomu morza, w Mather na około 1400 metrach i w Timberline na około 3050 metrach. Ten sam materiał genetyczny dawał w trzech miejscach rośliny drastycznie różne. Kluczowa okazała się jednak nie sama różnica, lecz coś subtelniejszego: kolejność się odwracała. Klon rosnący najbujniej w dolinie bywał w górach najmizerniejszy, a inny zachowywał się odwrotnie. Nie da się więc powiedzieć, że jeden genotyp „jest okazalszy” od drugiego, dopóki nie wskaże się miejsca.

Anthony Bradshaw dołożył do tego w 1965 roku obserwację, która porządkuje resztę: plastyczność sama jest cechą podlegającą kontroli genetycznej i bywa różna dla różnych cech tego samego organizmu. Jedna cecha potrafi być sztywna, druga w tej samej roślinie — bardzo podatna na warunki. U konopi rozkłada się to mniej więcej tak:

• Bardzo podatne na warunki — pokrój i sposób rozgałęzienia, liczba i wielkość organów, wybarwienie antocyjanowe, bezwzględne stężenia kannabinoidów i terpenów.
• Pośrednie — udziały poszczególnych terpenów w profilu zapachowym, wielkość włosków gruczołowych, tempo starzenia się tkanek.
• Mało podatne — proporcja głównych kannabinoidów, czyli chemotyp; kształt i podział blaszki liściowej; płeć rośliny, rozstrzygana chromosomowo, choć z udokumentowanymi odstępstwami.

Ta lista tłumaczy pozorny paradoks: dwie rośliny o identycznym genotypie mogą wyglądać zupełnie inaczej, a mimo to wynik oznaczenia proporcji kannabinoidów wypadnie u obu w tej samej klasie.

Chemotyp — jedyne piętro fenotypu, które da się zapisać liczbą

Samo pojęcie chemotypu nie pochodzi z badań nad konopiami. Węgierski farmakognosta Péter Tétényi spopularyzował je w 1970 roku w monografii o wewnątrzgatunkowych taksonach chemicznych roślin leczniczych — chodziło o populacje nierozróżnialne morfologicznie, a odmienne składem. Do konopi zastosowali je trzy lata później kanadyjscy botanicy Ernest Small i H. D. Beckstead, którzy przebadali około 350 pozycji materiału z różnych stron świata i ogłosili wyniki w 1973 roku, między innymi na łamach „Nature”.

Ich kryterium było zaskakująco proste i właśnie dlatego przetrwało pół wieku: stosunek Δ9-THC do CBD, a nie ilość któregokolwiek z nich. Rośliny rozpadły się na trzy grupy, w których ten iloraz był wyraźnie większy od jedności, bliski jedności albo wyraźnie mniejszy. Późniejsze prace zespołu Etienne’a de Meijera, publikowane w latach 2003–2009 w „Genetics” i „Euphytice”, dołożyły dwie kolejne klasy.

Klasa	Co przeważa w profilu	Jak to wygląda od strony genetyki	Gdzie się z tym spotyka
Chemotyp I	THCA nad CBDA, iloraz wyraźnie powyżej jedności	Podwójny zestaw allelu kodującego syntazę THCA	Klasa, do której należy większość materiału opisywanego w katalogach odmian
Chemotyp II	Obie formy kwasowe w porównywalnych proporcjach	Układ mieszany — po jednym allelu z każdej strony	Nie jest mieszaniną dwóch linii, tylko odrębnym układem dziedzicznym
Chemotyp III	CBDA nad THCA	Podwójny zestaw allelu kodującego syntazę CBDA	Klasa odmian rolniczych; z linii katalogowych mieści się tu m.in. Charlotte’s Web
Chemotyp IV	CBGA, czyli prekursor, który nie zostaje przerobiony dalej	Allel niedający czynnej syntazy — szlak zatrzymuje się o krok wcześniej	Opisany na francuskich liniach włóknistych
Chemotyp V	Praktycznie brak wykrywalnych kannabinoidów	Osobny, recesywny mechanizm blokujący gromadzenie	Rzadkość laboratoryjna, opisana przy okazji prac nad chemotypem IV

Warto zatrzymać się przy tym, dlaczego kryterium jest ilorazem, a nie wartością. Proporcja zachowuje się prawie jak cecha jakościowa: roślina należy do klasy albo nie należy, a wynik powtarza się między pomiarami. Wartości bezwzględne są cechą ilościową i zmienną — ta sama roślina, zbadana w dwóch momentach albo w dwóch miejscach, da liczby różniące się wielokrotnie, nie zmieniając przy tym klasy. Klasyfikacja Smalla i Becksteada przetrwała właśnie dlatego, że oparto ją na tym, co stabilne.

Locus B: jeden odcinek DNA, który rozstrzyga o proporcji

W 2003 roku zespół de Meijera opublikował w „Genetics” model tłumaczący powtarzalność chemotypów. Odpowiada za nie jedno miejsce w genomie, oznaczone jako locus B, z dwoma allelami współdominującymi: jeden koduje syntazę kwasu tetrahydrokannabinolowego, drugi syntazę kwasu kannabidiolowego. Współdominacja oznacza, że układ mieszany nie daje przewagi żadnej ze stron, tylko ujawnia obie naraz — stąd bierze się chemotyp II.

Konsekwencja jest podręcznikowa i łatwa do sprawdzenia. Skrzyżowanie dwóch roślin chemotypu II daje potomstwo rozkładające się w proporcji 1 : 2 : 1 — jedna czwarta w klasie I, połowa w klasie II, jedna czwarta w klasie III. To ten sam rozkład, który Mendel opisał na grochu, tyle że zamiast barwy kwiatu mierzy się go chromatografem. Chemotyp II nie jest więc żadną „odmianą pośrednią” ani mieszanką dwóch materiałów, lecz konkretnym układem dziedzicznym, który w każdym pokoleniu rozpada się z powrotem na trzy klasy.

Im bliżej się jednak przygląda, tym mniej to podręcznikowe. Rejon genomu, w którym leżą geny obu syntaz — w nowszych zestawieniach przypisywany chromosomowi siódmemu — okazał się nasycony sekwencjami powtarzalnymi i retrotranspozonami. Prace zespołu George’a Weiblena z 2015 roku oraz późniejsze zestawienie genomu opublikowane przez Christophera Grassę wykazały, że geny te występują w wielu kopiach, część z nich to pseudogeny pozbawione funkcji, a liczba kopii bywa różna między liniami. Model jednego locus jest więc użytecznym przybliżeniem, nie opisem dosłownym — dokładnie tak, jak to zwykle bywa z pierwszymi modelami mendlowskimi, gdy dochodzi do nich sekwencjonowanie.

Dlaczego dwie rośliny z jednej paczki nasion wyglądają inaczej

To pytanie wraca przy tym temacie częściej niż jakiekolwiek inne i ma odpowiedź całkowicie mechaniczną. Konopie mają dwadzieścia chromosomów, w tym parę płci typu XY, są dwupienne i wiatropylne. Roślina nie zapyla samej siebie w normalnym trybie, więc każde nasiono powstaje z krzyżowania obcego. Populacja pozostaje przez to bardzo heterozygotyczna: w tysiącach miejsc genomu rośliny noszą dwie różne wersje tego samego genu.

Nasiona z jednej torebki nie są więc kopiami — są rodzeństwem, i to takim, jakie powstaje przy losowym rozejściu się genów rodzicielskich. Skala tego losowania umyka intuicji. Wystarczy przyjąć, że rodzice różnią się w dziesięciu miejscach genomu, żeby każde z nich wytwarzało 1024 typy gamet, a ich potomstwo mogło przyjąć 59 049 kombinacji. Dziesięć miejsc to liczba absurdalnie zaniżona: cech takich jak pokrój, udział poszczególnych terpenów czy tempo rozwoju nie kontroluje jeden gen, tylko dziesiątki, a ich efekty nakładają się i wzajemnie modyfikują.

Do tego dochodzi struktura pokoleń, którą warto rozdzielić:

• F1 z dwóch wyrównanych rodziców — potomstwo jednorodne, bo wszystkie rośliny są heterozygotami w tych samych miejscach. To zjawisko, na którym opiera się cała hodowla mieszańcowa kukurydzy.
• F2 i pokolenia dalsze — cechy się rozszczepiają, a zmienność skacze gwałtownie. Większość materiału nasiennego krążącego pod nazwami handlowymi nie jest F1 z ustabilizowanych rodziców.
• Zapylenie otwarte — przy wiatropylności pyłek bywa notowany kilkanaście kilometrów od źródła, więc ojcostwo w partii nasion nie zawsze jest tym, co deklaruje etykieta.

Na to wszystko nakłada się jeszcze norma reakcji, więc dwa źródła zmienności — genetyczne i środowiskowe — mnożą się przez siebie zamiast się dodawać. Badania to potwierdzają: analiza opublikowana w „PLOS ONE” w 2015 roku przez zespół Jasona Sawlera wykazała słabą zgodność deklarowanego rodowodu z rzeczywistą strukturą genetyczną próbek, a praca Anny Schwabe i Mitchella McGlaughlina z 2019 roku pokazała, że materiał opisywany jedną nazwą przez różne podmioty bywa genetycznie niespójny. Jedyna droga do powtórzenia konkretnego fenotypu prowadzi więc przez rozmnażanie wegetatywne — czyli przez zamrożenie genotypu, a nie przez nasiona.

„Pheno hunt” — hodowca poluje na fenotyp, a zatrzymuje genotyp

W żargonie hodowlanym „pheno” oznacza pojedynczą roślinę z partii wyprowadzonej z jednego skrzyżowania, wyróżniającą się zestawem cech; mówi się o „pheno numer 4″ albo o „cytrusowym pheno” tej samej krzyżówki. Pheno hunt to przeglądanie takiej partii sztuka po sztuce i wybranie jednego okazu, który zostaje zachowany. W żargonie nazywa się go keeper albo cut, a linie utrzymywane wyłącznie w ten sposób opisuje się jako clone only. Ten tekst wyjaśnia wyłącznie znaczenie tych terminów i nie zajmuje się prowadzeniem roślin.

Językowo jest to nieścisłość, ale nieprzypadkowa. Genetyk powiedziałby, że hodowca nie szuka fenotypu, tylko genotypu: cechy, które kazały mu zatrzymać tę jedną roślinę, wracają w kolejnych egzemplarzach nie dlatego, że fenotyp się dziedziczy, ale dlatego, że rozmnażanie wegetatywne omija losowanie genów. Zamiast przekazać połowę materiału, kopiuje całość. Wybór odbywa się po fenotypie — bo tylko fenotyp widać — a jego wynikiem jest utrwalony genotyp.

Widać to w nazwach, które przetrwały w obiegu. Chemdawg 91 funkcjonuje jako numerowana selekcja z materiału Chemdawg, a nie jako odrębne skrzyżowanie. Rodzina OG Kush krąży jako zestaw nazwanych ujęć tego samego materiału. Gorilla Glue 4 to z założenia jedna wybrana roślina powielana wegetatywnie — numer w nazwie jest numerem egzemplarza z partii, a nie wersją odmiany. Tam, gdzie numeru nie ma, jak przy Girl Scout Cookies czy Blue Dream, ta sama etykieta bywa używana i dla klonu, i dla nasion — a to dwie zupełnie różne obietnice powtarzalności.

Warto dodać zastrzeżenie, o którym żargon milczy: klon zamraża genotyp, ale nie zamraża fenotypu. Ten sam cut prowadzony w dwóch miejscach da rośliny różniące się pokrojem, barwą i bezwzględnymi wynikami oznaczeń. Klasa chemotypowa zostanie ta sama, bo o niej rozstrzyga locus B — natomiast liczby przy niej się rozjadą.

Co z tego wynika przy czytaniu opisu odmiany

Trzy poziomy opisu wyznaczają trzy różne poziomy zaufania do tego, co się czyta. Nazwa handlowa nie poświadcza genotypu — nikt nie prowadzi rejestru nazw odmian konopi ani nie weryfikuje deklaracji. Opis wyglądu odnosi się do fenotypu, czyli do jednej rośliny, którą ktoś kiedyś widział. Liczby z analizy dotyczą jednej próbki, pobranej w jednym momencie, z jednego fragmentu jednej rośliny.

Do tego dochodzą dwie rzeczy czysto techniczne. W roślinie kannabinoidy występują głównie w formach kwasowych, THCA i CBDA; w chromatografii gazowej próbka trafia do gorącego dozownika i forma kwasowa traci grupę karboksylową jeszcze przed pomiarem, więc metoda nie rozdziela obu postaci, a chromatografia cieczowa je rozdziela. Stąd konwencja przeliczania: wynik sumaryczny podaje się jako zawartość formy neutralnej powiększoną o zawartość formy kwasowej przemnożoną przez współczynnik 0,877, wynikający ze stosunku mas cząsteczkowych. Druga rzecz to rozbieżności między laboratoriami, które bywają systematyczne — analiza wyników z rynku stanu Waszyngton, opublikowana w „Scientific Reports” w 2018 roku przez Nicka Jikomesa i Michaela Zooroba, wykazała powtarzalne różnice między placówkami badającymi ten sam typ materiału.

Podział katalogowy na indicę, sativę i hybrydy leży na jeszcze innym piętrze niż wszystkie trzy omawiane pojęcia — jest kategorią pochodzenia, a nie wynikiem oznaczenia. Podział ten opisuje pochodzenie hodowlane rośliny, a nie sposób, w jaki wpływa ona na organizm. Zestawienie tych porządków dobrze widać na przykładach: Skunk #1 jest linią, której wyrównywanie zajęło pokolenia selekcji, Purple Kush trafiła do historii nauki jako materiał pierwszego szkicu genomu konopi, opublikowanego w 2011 roku w „Genome Biology”, a nazwy takie jak Afghani, Durban Poison czy Northern Lights odsyłają do materiału wyjściowego, a nie do jednej powtarzalnej rośliny. Z tego powodu część analityków proponuje zastąpienie słowa „odmiana” terminem chemowar — nazwą opartą na wyniku oznaczenia zamiast na etykiecie. Propozycja nie przyjęła się w obiegu handlowym, ale w publikacjach spotyka się ją coraz częściej.

Pytania, przy których te trzy pojęcia mieszają się ze sobą

Czy fenotyp konopi jest dziedziczny?

Nie w sensie ścisłym. Dziedziczy się genotyp, a fenotyp powstaje dopiero z jego zetknięcia z warunkami, w jakich roślina wyrosła. Potomstwo bywa podobne do rodziców dlatego, że dostaje po nich geny, a nie dlatego, że przejmuje ich wygląd. Jedyny sposób na odtworzenie konkretnego fenotypu to rozmnażanie wegetatywne, które kopiuje cały genom zamiast go losować.

Czy po wyglądzie rośliny da się rozpoznać jej chemotyp?

Nie. Tétényi wprowadził pojęcie chemotypu właśnie dla populacji nierozróżnialnych morfologicznie, a odmiennych składem. Rośliny należące do chemotypów I i III bywają nie do odróżnienia gołym okiem, a rozstrzyga o nich układ alleli w jednym miejscu genomu. Klasę ustala się analizą, nie oględzinami.

Co znaczy zapis „fenotyp numer 3″ w opisie odmiany?

To numer porządkowy nadany pojedynczej roślinie wybranej z partii wyprowadzonej z jednego skrzyżowania. Numer nie ma żadnego znaczenia poza tym, które nadał mu autor selekcji — nie istnieje wspólna numeracja ani rejestr, więc „fenotyp 3″ u dwóch różnych osób to dwie różne rośliny.

Dlaczego dwa laboratoria podają dla jednej odmiany różne liczby?

Składa się na to kilka warstw naraz: inna próbka i inne miejsce jej pobrania, inna metoda rozdziału, inny sposób przeliczania form kwasowych oraz udokumentowane systematyczne różnice między placówkami. Stabilna pozostaje przede wszystkim proporcja, czyli przynależność do klasy chemotypowej — nie same wartości.

Czy „pheno hunt” i selekcja to synonimy?

Nie do końca. Selekcja w genetyce oznacza wielopokoleniowy proces przesuwania średniej populacji — dokładnie to, czego Johannsen nie zdołał osiągnąć wewnątrz linii czystej. „Pheno hunt” opisuje jednorazowy wybór jednego okazu, który następnie zostaje utrwalony wegetatywnie. Pierwsze zmienia populację, drugie ją omija.

Materiał ma charakter informacyjny i encyklopedyczny. Nie stanowi porady medycznej ani zachęty do stosowania. Medyczna marihuana jest w Polsce dostępna wyłącznie na receptę, a o doborze produktu decyduje lekarz prowadzący.