Durchbrüche bei der Kultivierung einer einheitlicheren Cannabispflanze sind in Sicht'.

Bessere Saatgutgenetik, stromlos einstellbare Beleuchtung und andere neue wissenschaftliche Entdeckungen machen Fortschritte in einer Branche, die sich zu einer führenden Agrotechnologie entwickelt hat.

In der Welt des Cannabisanbaus tut sich heute so viel, und vieles davon treibt einen tieferen Blick auf die Frage, wie man die Pflanze während ihres gesamten Wachstumszyklus kontrollieren und mit der Genetik arbeiten kann, um zuverlässig dieselbe Pflanze mit denselben Effekten zu produzieren, wenn sie wächst. Methoden zur Standardisierung und Einheitlichkeit treiben neue Entdeckungen voran.

In dieser Rubrik "Technische Innovationen" werden neue Ideen für den Anbau untersucht, darunter die Bewältigung von Schimmel- und Mehltau-Problemen durch Genetik, der Schutz der Anbaufläche vor Krankheitserregern, neue Beleuchtungsideen, die keinen Strom verbrauchen, und ein besseres Verständnis der Genbearbeitung von Cannabissamen.

Im Allgemeinen werden Cannabispflanzen aus Klonen gezüchtet - aus Stecklingen weiblicher Pflanzen -, die ein einheitliches Produkt ergeben. Aber das bringt auch Probleme mit sich. "Einige der wirklich negativen Dinge beim Anbau aus Klonen ist die Übertragung von Schädlingen und Krankheitserregern", sagte Nathaniel Pennington.

Pennington ist der Gründer und Geschäftsführer der Humboldt Seed Company. Er ist ein ehemaliger Cannabis-Erzeuger, der jetzt als Wissenschaftler und Züchter tätig ist. "Diese Übertragung ist wahrscheinlich das Schlimmste an der Klonvermehrung. Man kann auf den Einsatz von Pestiziden verzichten und wirklich gutes Cannabis anbauen, wenn man mit sauberem Saatgut beginnt."

Saatgut ist im Grunde die Gewebekultur der Natur, erklärte er, und das ist der sauberste und sterilste Weg, lebendes Pflanzengewebe zu teilen. "Das Saatgut selbst ist dieses neue Leben, das in 99 % der Fälle keinen Virus oder einen anderen Krankheitserreger enthält, der von einer Mutterpflanze stammen könnte, von der man Klone erhält", sagte Pennington.

Die Humboldt Seed Company hat einen Weg gefunden, feminisiertes Cannabis-Saatgut zu erhalten, indem sie mit einem Genomik- und Züchtungsberaterteam der Universität von Kalifornien-Davis zusammengearbeitet hat, um eine eigene Methode zur Züchtung feminisierter Samen zu entwickeln (1). Das Unternehmen führt eine vollständige Sequenzierung an einer Reihe verschiedener Cannabissorten durch. "Und im Moment machen wir markerunterstützte Züchtung mit Autoflowering", sagte Pennington. "Es ist hilfreich, wenn man schnell feststellen kann, ob eine Pflanze ein bestimmtes Merkmal geerbt hat oder nicht, bevor man sie bis zur Blüte wachsen lassen muss. Die markerunterstützte Züchtung und die Genomannotation sind also die wichtigsten Teile unseres Puzzles.

Humboldt und andere Saatgutunternehmen erhalten Unterstützung durch weitere Entdeckungen am Horizont, wie die Ergebnisse der laufenden Projekte der Agricultural Genomics Foundation (2), die in Zusammenarbeit mit der Cannabis Genomic Research Initiative (CGRI) an der Kartierung des Cannabisgenoms und der genetischen Details der Pflanze arbeiten.

Eines der CGRI-Projekte (3) ist eine genetische Karte von Cannabis mit extrem hoher Dichte. "Die vollständige Genomsequenzierung wird auch für nicht sehr kapitalstarke Unternehmen wie das unsere immer zugänglicher", so Pennington.

Bearbeitung des Cannabis-Saatguts

Berichten zufolge (4) ist es das erste Mal, dass ein kommerzielles Unternehmen Genom-Editing an einer Cannabispflanze vorgenommen hat. Das israelische Start-up-Unternehmen CanBreed arbeitet in einer 12.000 Quadratmeter großen Anlage für Saatgut-Tests und einer 45.000 Quadratmeter großen Farm für Versuche und die Saatgutproduktion (5).

Das Gen-Editing des Saatguts erfolgte mit der CRISPR-Cas9-Gen-Editing-Technologie (6), mit der die Pflanze gegen Mehltau resistent gemacht werden soll. CRISPR/Cas9 editiert Gene, indem es die DNA präzise schneidet und dann die natürlichen DNA-Reparaturprozesse übernehmen lässt.

Ziel des Unternehmens ist es, Cannabissamen (F1-Hybride [7] genannt) zu erzeugen und zu verkaufen, die eine Resistenz gegen Mehltau aufweisen, und hoffentlich die gleiche Technologie zu nutzen, um weitere Gene zu verändern, um andere Eigenschaften der Pflanze zu verbessern.

Ido Margalit ist Agrarwissenschaftler, ehemaliger CEO des Medizinprodukte-Start-ups Syngenta und Mitbegründer von CanBreed. "In der Cannabisbranche mangelt es an Standardisierung und Einheitlichkeit", sagte er. "Die Cannabispflanze wird aus einem Klon gezüchtet. Die Genetik ist nicht stabilisiert worden. Wenn man die Genetik einer Pflanze nicht stabilisiert, kann man sie nicht aus Samen reproduzieren. Denn das bedeutet, dass jeder einzelne Samen einer Pflanze genetisch unterschiedlich ist. Um eine stabile Pflanze, ein stabiles, einheitliches Saatgut zu erhalten, gibt es einen Prozess, der 3 bis 4 Jahre dauert. Und niemand hat dieses Know-how, das in der Saatgutindustrie sehr verbreitet ist, auf Cannabissamen angewandt", sagte er.

Tomaten und andere Kulturpflanzen haben eine Resistenz gegen die gleiche Art von Mehltau entwickelt, die auch Cannabis befällt, sagte er. "Wir haben uns die Gene angesehen, die diese mehltauresistenten Pflanzen haben, und gefragt, ob Cannabis das gleiche Gen hat. Die Antwort ist ja. Cannabis ist eine ganz normale Nutzpflanze. Es unterscheidet sich nicht von den meisten anderen Nutzpflanzen. Eine Pflanze ist eine Pflanze."

Hilfe für die Hanfindustrie

CanBreed hat auch ein Tochterunternehmen in den USA, das eine 140.000 Quadratmeter große Farm zur Produktion von Hanfsamen betreibt.

Ihre Gen-Editierungsarbeit bei Cannabis umfasst auch die Hanfsamen in einem Verfahren, das den Hanfbauern helfen soll, einen legalen Gehalt an Tetrahydrocannabinol (THC) in ihren Hanfpflanzen zu halten. Einer Studie zufolge kann der THC-Gehalt aufgrund schlechter Genetik "heiß" werden (8). "Wir haben das Gen, das die THC-Menge steuert, identifiziert und herausgeschnitten", sagte Margalit. "Und wir werden es bis Ende 2022 in die USA bringen. Es ist der erste stabile, einheitliche Hanfsamen, der keine genetische Fähigkeit hat, THC zu exprimieren."

Margalit unterscheidet auch zwischen der von ihm durchgeführten Bearbeitung von Gensaatgut und genetisch veränderten Organismen (GVO). Obwohl GVO in vielen Lebensmitteln enthalten sind, werden die meisten der in den Vereinigten Staaten angebauten GVO-Pflanzen für die Tierernährung verwendet. Aber es gibt auch andere Verwendungszwecke. So wurde die Gentechnik, also das Verfahren zur Herstellung von GVO, erstmals zur Herstellung von Humaninsulin, einem Medikament zur Behandlung von Diabetes, eingesetzt (9).

"GVO ist die Expression eines fremden Gens", sagte Margalit. "Bei der Genbearbeitung von Saatgut führen wir kein fremdes Material in die Pflanze ein. Wir verändern ein bestimmtes Gen, das in der Pflanze vorhanden ist. Wir wissen, dass das Gen nicht mehr so funktioniert, wie es sollte, wenn man es herausnimmt. Sobald man die Funktion verändert, erhält man die Resistenz (gegen Mehltau)."

Kann sich das Gen-Editing als Mittel durchsetzen, um jedes Mal eine identische Cannabispflanze zu erhalten? Pennington hat seine Meinung dazu: "Es ist so viel nötig, um die spezifische Sorte oder den Stamm so zu verändern, dass die Resistenz gegen Mehltau immer und immer wieder vererbt wird", sagte er. "Der Markt ist im Moment so wankelmütig, dass ich nicht sicher bin, ob eine Resistenz gegen Mehltau das wichtigste Verkaufsargument für Cannabis ist."

David Kessler, Chief Science Officer bei Agrify, einem Anbieter von Lösungen für den Cannabisanbau, sagte, dass es "Dutzende von Leuten gibt, die versuchen, dies zu tun" - das Saatgutgen zu stabilisieren -, weil es "eine sehr große Sache" ist.

"Wenn ich im Baumarkt eine Packung Tomatensamen kaufe, werden 99 von 100 dieser Tomaten gleich groß und gleich schnell wachsen und eine ziemlich homogene Tomate ergeben. Sie wird das sein, was wir stabilisiert nennen. Bei Cannabis ist das Saatgut sehr vielfältig. Er ist repräsentativ für ein sehr vielfältiges Genom. Wenn ich also 10 Samen anbaue, ist es sehr wahrscheinlich, dass ich 10 verschiedene phänotypische und chemotypische Ausprägungen habe, obwohl sie technisch gesehen von derselben Mutter stammen."

Mehr Werkzeuge

Es werden immer mehr Werkzeuge und Geräte für den Cannabisanbau in Innenräumen eingesetzt, da andere Quellen für neue Technologien untersucht werden. Ein solches Gerät ist die Blue Zone von Agrify. Es ist ein Gerät im Militärstil, das Gerüche reduziert und Schimmel und Bakterien abtötet.

Blue Zone funktioniert, indem die Luft durch eine Reaktionskammer zirkuliert, die Krankheitserreger vernichtet. Chemische Verbindungen, die Gerüche verursachen, werden oxidiert, während Schimmelsporen und Botrytis (ein weit verbreiteter Pilz im Freien) durch ein in sich geschlossenes ultraviolettes Licht gezogen werden, das sie sofort abtötet (10). "Die Technologie selbst wurde in den frühen 2000er Jahren für das US-Militär entwickelt und ist derzeit auf allen US-Flugzeugträgern installiert", so Kessler. "Interessant ist jedoch, dass die ursprüngliche Anwendung nicht der Biosicherheit oder dem Schutz des Menschen diente. Der Grund war, dass das Produkt in der Lage war, Ethylen zu zerstören, ein Gas, das bei der Reifung und dem Reifen von Produkten entsteht. Auf diese Weise konnte die Haltbarkeit von Obst und Gemüse für Soldaten erheblich verlängert werden."

Die Anbauer achten verstärkt auf die Biosicherheit ihres Anbaus, so Kessler. "Cannabis ist eine der wertvollsten landwirtschaftlichen Nutzpflanzen auf Gewichtsbasis", sagte er. "Daher möchte man natürlich alles in seiner Macht Stehende tun, um Problemen vorzubeugen oder sie zu lösen, falls sie auftreten.

Jede einzelne Blue Zone ist steckerfertig, sagte er, was bedeutet, dass der Bediener eines Kultivators sie buchstäblich auf einen Tisch stellen, einstecken und einschalten kann, und schon kontrolliert sie 15.000 Kubikfuß Luftraum auf Krankheitserreger. "Außerdem wird die Luft sauberer und gesünder für Ihre Mitarbeiter. Und ich denke, das sollte nicht unterschätzt werden", sagte Kessler. "Ich denke, wenn man sich um sein Team kümmert, wird es sich auch gut um die Einrichtung kümmern, und dann gewinnen alle zusammen.

Nanotechnologie und Cannabis

Eine weitere neue Technologie, die im Cannabisanbau zum Einsatz kommt, ist der Quantenpunkt, ein nanometergroßes Halbleiterteilchen. Quantenpunkte werden häufig wegen ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften verwendet, da sie Licht bestimmter Wellenlängen aussenden, wenn Energie auf sie einwirkt.

Diese Lichtwellenlängen können durch Veränderung verschiedener Eigenschaften der Partikel, wie Form, Materialzusammensetzung und Größe, genau eingestellt werden (11).

UbiQD, ein Unternehmen für fortschrittliche Materialien, hat sein Produkt UbiGro entwickelt, das lumineszierende Filme mit seiner Quantenpunkt-Nanotechnologie verwendet, um das Sonnenlicht im Wesentlichen ohne Strom zu beeinflussen. Mit UbiGro kann das Sonnenlicht manipuliert werden, um die photosynthetische Effizienz zu erhöhen und die Produktion von Früchten und Blumen zu steigern. Die Quantenpunkte in UbiGro verschieben einen Teil des ultravioletten und blauen Lichts in den roten Bereich, da mehr rotes Licht die Chlorophyllabsorption verbessert.

"Wir beschreiben es als eine Lichtschicht, die den Pflanzen hilft, mehr von der Sonne zu bekommen", sagt Hunter McDaniel, Gründer und CEO von UbiQD (12). "Es basiert auf der Idee, dass die Qualität des Lichts sich auf die Gesundheit und Produktivität der Pflanzen auswirkt, was genauso wichtig ist wie die Quantität des Lichts, und das hat sich über die Jahre entwickelt. Grower*innen haben sich weitgehend auf die Quantität konzentriert, insbesondere in der Cannabisbranche."

Außerhalb der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) (13) werden Photonen im Allgemeinen als nutzlos für die Photosynthese angesehen, erklärte er. "Das war die alte Denkweise. Und dann, innerhalb der Leistung, 400 bis 700 Nanometer, ist Licht tatsächlich PAR. Aber nicht alle Photonen sind für die Photosynthese gleichwertig", sagte er.

Dr. Keith McCree, ein Forscher an der Texas A&M, leistete 1970 mit der McCree-Kurve (14) Pionierarbeit auf dem Gebiet der Beleuchtung, die als Mittel zur Ermittlung der optimalen Wellenlängenauswahl und des optimalen Spektralverhältnisses für verschiedene Pflanzen verwendet wurde. Es handelt sich um ein Diagramm von 22 Getreide-, Ölsaaten- und Gemüsekulturen (darunter Melone, Klee, Baumwolle, Salat, Tomaten, Kürbis, Gurken und Sojabohnen), bei denen er die photosynthetische Effizienz im Verhältnis zur Farbe untersuchte.

Ziel der Messungen war es, "eine faktische Grundlage für eine Standarddefinition der photosynthetisch aktiven Strahlung zu schaffen".

Rotes Licht ist etwa 30 % oder vielleicht sogar 50 % effizienter als grünes Licht und etwa 20-30 % effizienter als blaues Licht, nur im Vergleich von Photonen zu Photonen, so McDaniel. "Wenn man den Pflanzen also einfach mehr rotes Licht geben könnte, sollten sie produktiver sein", fügte er hinzu.

UbiGro verändert nicht nur die Farbe, sondern gibt auch mehr diffuses Licht an die Pflanze ab. "Durch die Streuung des Lichts gelangt mehr Licht in den unteren Teil der Baumkrone und die Pflanze wird besser belichtet", so McDaniel.

Die Pflanzen haben sich so entwickelt, dass sie die Jahreszeit teilweise anhand der Farbe erkennen, weil die Sonne mit fortschreitender Jahreszeit tiefer am Himmel steht. "Sie bekommen mehr Rot im Spektrum. In der Cannabisgemeinde ist bekannt, dass mehr rotes Licht die Blüte auslösen kann", so McDaniel. "Aber in der frühen Wachstumsphase, wenn man den Pflanzen mehr blaues Licht gibt, denkt die Pflanze: 'Hey, es ist Sommer. Ich muss groß und hoch werden. Bei rotem Licht denkt sie dann: 'Ich sollte mir Gedanken über den Winter machen. Der Winter steht vor der Tür. Ich muss anfangen, mich zu vermehren. Mit den Früchten und Blüten versucht die Pflanze, den Winter zu überstehen", so McDaniel.

Mit UbiGro gaukelt der Züchter der Pflanze vor, dass es an der Zeit ist, das zu tun, was der Züchter von ihr verlangt. "Wir neigen dazu, uns mehr auf die Produktivität der Pflanze zu konzentrieren, d.h. Blüte, Früchte, Blüten, und das kann durch mehr rotes Licht ausgelöst werden.

"Cannabis ist eine komplizierte Pflanze, die gut angebaut werden muss", sagte McDaniel. "Die Branche ist schwer zugänglich, weil es so viele regulatorische Unsicherheiten und Unterschiede zwischen den Staaten gibt und eine Art Boom- und Bust-Zyklus herrscht. Es handelt sich um eine sehr kapitalintensive, arbeits- und energieintensive Anlage. Die Rentabilität ist also nicht so groß, wie man vielleicht erwarten würde. Sie sehen, dass der Wert pro Pfund 1000-mal höher ist als bei Tomaten, also sollte es 1000-mal lukrativer sein, oder? Nun, jetzt kostet die Produktion auch noch viel mehr."

McDaniel ist der Meinung, dass Cannabis ein Vorreitermarkt - ein erster Markt - für neue Technologien sein kann. Er erklärt, dass die Cannabisbranche auch sehr offen für Technologie ist. "Ich glaube, es liegt einfach in ihrer DNA, neue Dinge auszuprobieren und ein bisschen mehr wie ein Außenseiter zu sein", sagte er.

"Lebensmittel und Cannabis treffen sich im Gewächshaus. Die Cannabisindustrie kommt aus der Dunkelheit, aus dem Lagerhaus heraus und in das Gewächshaus hinein. Die Lebensmittelindustrie bewegt sich vom Feld in das Gewächshaus", fügte McDaniel hinzu. "Die Gewächshausindustrie explodiert also gerade, weil sie von beiden Seiten her kommt. Wir spielen da mit."

Fazit

Das ständige Problem bei Cannabis, das Saatgutgenetiker verstehen müssen, ist, dass die Pflanze seit Tausenden von Jahren von Menschen angebaut wird. Es ist schwierig, die Ursprünge der Pflanze und die wahre Genetik des Saatguts zu entschlüsseln. "Glücklicherweise gibt es immer noch Wildpopulationen von Cannabis, die sich jedes Jahr selbst vermehren oder aussäen", so Pennington.

Er begab sich auf eine Pilgerreise nach Jamaika, um die dort angebauten Sorten wie Lamb's Bread (auch bekannt als Lamb's Breath mit einer ursprünglichen Inzuchtlinie, die auf König Salomon [15] zurückgeht) zu finden. "Leider mussten wir feststellen, dass sie fast von der ganzen Insel verschwunden waren. Wir gingen zu den üblichen Orten, an denen Cannabis angebaut wird, und fragten, ob sie Samen dieser alten jamaikanischen Sorten hätten. Und sie sagten: "Das weiß ich nicht. Aber OG Kush Samen, wir haben sie. Wir haben Sour Diesel Samen", sagte Pennington.

Er sagte, dass er nach jemandem sucht, der sich in Kalifornien bei der Humboldt Seed Company für einen Zuschussantrag bewerben möchte, um eine gemeinnützige Organisation zu gründen und ihr bei der Einrichtung eines Lagers für kryogenes Cannabis-Saatgut zu helfen. "Was wir suchen, ist ein Weg, um bei, sagen wir, 10.000 Samen, genau vorherzusagen, wie sie aussehen, wie sie riechen und wie groß sie werden, wenn sie blühen", sagte Pennington.

Kessler sagte, dass Unternehmen, die an der führenden Technologie für die Branche arbeiten, in erster Linie berücksichtigen müssen, dass Cannabis jeder anderen modernen landwirtschaftlichen Kulturpflanze um 100 Jahre hinterherhinkt. "Es war nicht legal, daher haben die Universitäten nicht damit gearbeitet. Die Informationen, über die die alten Züchter verfügten, waren sehr streng gehütet und nicht wissenschaftlich. Und gleichzeitig stammen sie von einer Gruppe von Menschen, für die es Beweise für die Datensammlung gibt. Es gab also eine Menge nicht-institutionalisiertes Wissen", sagte er. "Es war verstreut, es waren Indizien, es folgte nicht dem wissenschaftlichen Prozess. Das wertet die Informationen nicht ab und macht sie nicht falsch. Es macht sie nur nicht nachhaltig oder belegbar."

Laut McDaniel ist eine der Lektionen, die er über die Branche gelernt hat, wie vielseitig sie ist. "Es ist eine große Industrie. Man würde also erwarten, dass es eine gewisse Vielfalt gibt. Aber wenn man in ein Gewächshaus nach dem anderen geht, sieht man, dass es so viele verschiedene Anbautechniken und Strukturen gibt, verschiedene Materialien, verschiedene Arten von Überdachungen. Kein Gewächshaus ist wie das andere. Das bedeutet aber auch, dass wir wirklich mit den Erzeugern zusammenarbeiten müssen, dass wir uns die Hände schmutzig machen und mit ihnen im Gewächshaus arbeiten müssen. Dann verbringen wir viel Zeit mit ihnen, was großartig ist."

Referenzen

1. https://humboldtseedcompany.com/feminized-seed-information/.
2. https://agriculturalgenomics.org.
3. https://agriculturalgenomics.org/research/.
4. https://www.timesofisrael.com/israeli-startup-says-it-has-edited-cannabis-plant-gene-for-fungus-resistance/.
5. http://www.can-breed.com/page3.html#content4-c.
6. http://www.crisprtx.com/gene-editing/crispr-cas9.
7. http://www.can-breed.com/page4.html.
8. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcbb.12667.
9. https://www.fda.gov/food/agricultural-biotechnology/gmo-crops-animal-food-and-beyond.
10. https://www.agrify.com/bluezone-cannabis-air-scrubber.
11. https://avantama.com/what-is-a-quantum-dot/.
12. https://ubiqd.com/vision/.
13. https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/photosynthetically-active-radiation.
14. https://www.vegenaut.com/pl/.wp-content/uploads/sites/2/2017/07/PPFD_essential_article.pdf.
15. https://oldschoolba.com/product/lambsbread/.