Des percées en matière de culture pour une plante de cannabis plus uniforme sont à venir".

L'amélioration de la génétique des semences, l'éclairage réglable sans électricité et d'autres nouvelles découvertes scientifiques font progresser ce qui est devenu une industrie de pointe dans le domaine de l'agrotechnologie.

Il se passe beaucoup de choses dans le monde de la culture du cannabis aujourd'hui, et la plupart d'entre elles poussent à approfondir la façon de contrôler la plante tout au long de son cycle de croissance et de travailler avec la génétique pour produire de manière fiable la même plante avec les mêmes effets, culture après culture. Les méthodes de normalisation et d'uniformisation sont à l'origine de nouvelles découvertes.

Cette rubrique "Innovations technologiques" examinera les nouvelles idées en matière de culture, notamment la gestion des problèmes de moisissure grâce à la génétique, la protection des installations de culture contre les agents pathogènes, les nouvelles idées d'éclairage qui ne consomment pas d'électricité et une meilleure compréhension de l'édition du gène de la graine de cannabis.

En général, les plantes de cannabis sont cultivées à partir de clones, c'est-à-dire de boutures de plantes femelles, ce qui permet d'obtenir un produit uniforme. Mais cela pose des problèmes. "L'un des aspects les plus négatifs de la culture à partir de clones est la transmission de parasites et d'agents pathogènes", explique Nathaniel Pennington.

Pennington est le fondateur et le PDG de Humboldt Seed Company. Ancien producteur de cannabis, il est aujourd'hui scientifique et sélectionneur. "Cette transmission est probablement le pire aspect de la propagation par clonage. On peut s'en sortir sans utiliser de pesticides et cultiver du très bon cannabis si l'on commence proprement avec des semences".

Les semences sont en fait la culture de tissus de la nature, a-t-il expliqué, et c'est la manière la plus propre et la plus stérile de partager des tissus végétaux vivants. "La semence elle-même est une nouvelle vie qui n'est pas porteuse, dans 99 % des cas, d'un virus ou d'un autre agent pathogène qui pourrait provenir d'une plante mère où l'on obtient des clones", a déclaré M. Pennington.

Humboldt Seed Company a mis au point un moyen d'obtenir des graines de cannabis féminisées, en collaborant avec une équipe de consultants en génomique et en sélection de l'Université de Californie-Davis pour mettre au point une méthode exclusive de sélection de graines féminisées (1). L'entreprise procède au séquençage complet d'un certain nombre de variétés de cannabis. "Et en ce moment, nous faisons de la sélection assistée par marqueur avec des fleurs automatiques", a déclaré Pennington. "Il est utile de pouvoir déterminer rapidement si une plante a hérité d'un certain trait ou non avant de devoir la cultiver jusqu'à ce qu'elle fleurisse. La sélection assistée par marqueurs et l'annotation du génome sont donc des éléments importants de notre puzzle actuel.

Humboldt et d'autres semenciers sont aidés par d'autres découvertes à l'horizon, comme les résultats des projets en cours à l'Agricultural Genomics Foundation (2), qui travaille en collaboration avec la Cannabis Genomic Research Initiative (CGRI) pour cartographier le génome du cannabis et les détails génétiques de la plante.

L'un des projets du CGRI (3) est une carte génétique à très haute densité du cannabis. "Le séquençage complet du génome devient de plus en plus accessible, même pour des entreprises comme la nôtre qui ne sont pas très capitalisées", a déclaré M. Pennington.

Modification du gène de la graine de cannabis

La startup israélienne CanBreed a annoncé ce qui serait (4) la première fois qu'une entreprise commerciale procède à l'édition du génome d'une plante de cannabis. Elle travaille dans une installation de 12 000 pieds carrés pour tester les semences et dans une ferme de 45 000 pieds carrés pour les essais et la production de semences (5).

L'édition génétique des semences a été réalisée à l'aide de la technologie d'édition génétique CRISPR-Cas9 (6), conçue pour rendre la plante résistante au mildiou. CRISPR/Cas9 modifie les gènes en coupant précisément l'ADN, puis en laissant les processus naturels de réparation de l'ADN prendre le relais.

L'entreprise a pour objectif de créer et de vendre des graines de cannabis (appelées hybrides F1 [7]) qui présentent un trait de résistance à l'oïdium, et espère utiliser la même technologie pour modifier d'autres gènes afin d'améliorer d'autres caractéristiques de la plante.

Ido Margalit est agronome, ancien PDG de la start-up Syngenta spécialisée dans les dispositifs médicaux et cofondateur de CanBreed. "L'industrie du cannabis souffre d'un manque de normalisation et d'uniformité", explique-t-il. "La plante de cannabis est cultivée à partir d'un clone. La génétique n'a pas été stabilisée. Si vous ne stabilisez pas la génétique d'une plante, vous ne pouvez pas la reproduire à partir d'une graine. Cela signifie que chaque graine d'une plante est génétiquement différente. Pour obtenir une plante stable, une graine uniforme stable, il faut un processus qui prend 3 à 4 ans. Et personne n'a appliqué ce savoir-faire, très répandu dans l'industrie des semences, aux semences de cannabis", a-t-il déclaré.

Les tomates et d'autres cultures ont développé une résistance au même type de mildiou que celui qui affecte le cannabis. "Ce que nous avons fait, c'est examiner les gènes que possèdent ces plantes résistantes au mildiou et demander si le cannabis possède le même gène. La réponse est oui. Le cannabis est une culture agricole comme les autres. Il n'est pas différent de la plupart des autres cultures. Une plante est une plante.

Aider l'industrie du chanvre

CanBreed possède également une filiale américaine qui exploite une ferme de production de graines de chanvre de 140 000 pieds carrés.

Leur travail d'édition de gènes sur le cannabis inclut la graine de chanvre dans un processus visant à aider les cultivateurs de chanvre à maintenir un niveau légal de tétrahydrocannabinol (THC) dans leurs plants de chanvre. Selon une étude, les niveaux de THC peuvent devenir "élevés" en raison d'une mauvaise génétique (8). "Nous avons identifié et supprimé le gène qui contrôle la quantité de THC", a déclaré M. Margalit. Nous avons identifié et supprimé le gène qui contrôle la quantité de THC", a déclaré Margalit, "et nous allons commercialiser ce produit aux États-Unis d'ici la fin de l'année 2022". C'est la première graine de chanvre uniforme et stable qui n'a aucune capacité génétique à exprimer le THC."

Margalit fait également une distinction entre l'édition de semences génétiques qu'il effectue et les organismes génétiquement modifiés (OGM). Bien que les OGM soient présents dans de nombreux aliments consommés par l'homme, la plupart des cultures d'OGM produites aux États-Unis sont utilisées pour l'alimentation animale. Mais il existe d'autres utilisations. Par exemple, le génie génétique, qui est le processus utilisé pour créer des OGM, a été utilisé pour la première fois pour fabriquer de l'insuline humaine, un médicament utilisé pour traiter le diabète (9).

"Les OGM sont l'expression d'un gène étranger", a déclaré M. Margalit. "Nous n'introduisons aucun matériel étranger dans la plante lors de l'édition génétique des semences. Nous modifions un certain gène présent dans la plante. Nous savons que si l'on supprime ce gène, il cesse de fonctionner comme il le devrait. Une fois la fonction modifiée, on obtient la résistance (au mildiou)".

L'édition de gènes peut-elle devenir un moyen d'obtenir une plante de cannabis identique à chaque fois ? Pennington a son avis sur la question : "Il faut tellement de choses pour modifier le cultivar ou la souche spécifique afin qu'il hérite, à chaque fois, de cette résistance à l'oïdium", a-t-il déclaré. "Le marché est tellement inconstant aujourd'hui que je ne suis pas sûr que la résistance à l'oïdium soit l'argument de vente numéro un pour le cannabis.

David Kessler, directeur scientifique d'Agrify, un fournisseur de solutions pour la culture du cannabis, a déclaré qu'il y a "des dizaines et des dizaines de personnes qui essaient de faire cela" - stabiliser le gène de la graine - parce que c'est "une très grosse affaire".

"Lorsque je vais chez Home Depot et que j'achète un paquet de graines de tomates, 99 sur 100 de ces tomates vont pousser à la même taille, au même rythme, et produire une tomate assez homogène. Elle sera ce que nous appelons stabilisée. Dans le cas du cannabis, la graine est très hétérogène. Elle est représentative d'un génome très diversifié. Ainsi, si je cultive 10 graines, il est très probable que j'obtienne 10 expressions phénotypiques et chimiotypiques différentes, même si, techniquement, elles proviennent de la même mère.

Plus d'outils

De plus en plus d'outils et d'appareils sont utilisés dans les opérations de culture de cannabis en intérieur, à mesure que d'autres sources de nouvelles technologies sont étudiées. L'un de ces dispositifs est le Blue Zone, d'Agrify. Il s'agit d'un appareil de type militaire destiné à réduire les odeurs et à tuer les moisissures et les bactéries.

Blue Zone fait circuler l'air dans une chambre de réaction conçue pour détruire les agents pathogènes. Les composés chimiques à l'origine des odeurs sont oxydés, tandis que les spores de moisissure et le botrytis (un champignon courant en extérieur) sont attirés par une lumière ultraviolette autonome qui les tue instantanément (10). "La technologie elle-même a été développée au début des années 2000 pour l'armée américaine et elle est actuellement installée sur tous les porte-avions américains", explique M. Kessler. "Ce qui est intéressant, cependant, c'est que l'application initiale n'était pas destinée à la biosécurité ou à la sûreté humaine. C'est parce que le produit était capable de détruire l'éthylène, un gaz créé lors de la maturation et du mûrissement des fruits et légumes. Grâce à ce produit, il a été possible de prolonger considérablement la durée de conservation des fruits et légumes pour les soldats.

Les cultivateurs s'intéressent de plus près à la biosécurité de leurs cultures, a déclaré M. Kessler. "Le cannabis est l'une des cultures agricoles les plus lucratives en termes de poids. "Il est donc évident qu'il faut faire tout ce qui est en son pouvoir pour prévenir les problèmes ou les résoudre s'ils surviennent.

Chaque Blue Zone est prête à l'emploi, ce qui signifie que l'opérateur d'un cultivateur peut littéralement la poser sur une table, la brancher, la mettre en marche et elle contrôlera 15 000 pieds cubes d'espace aérien pour les agents pathogènes. "Il va également rendre l'air plus propre et plus sain pour vos employés. Je pense qu'il ne faut pas sous-estimer cet aspect", a déclaré M. Kessler. "Je pense que si vous prenez soin de votre équipe, elle prendra soin de vos installations et tout le monde gagnera ensemble.

Nanotechnologies et cannabis

Une autre nouvelle technologie utilisée pour la culture du cannabis est le point quantique, qui est une particule semi-conductrice de taille nanométrique. Les points quantiques sont largement utilisés pour leurs propriétés optiques uniques, car ils émettent de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques lorsqu'on leur applique de l'énergie.

Ces longueurs d'onde de la lumière peuvent être réglées avec précision en modifiant diverses propriétés de la particule, notamment sa forme, sa composition matérielle et sa taille (11).

UbiQD, une entreprise de matériaux avancés, a créé son produit UbiGro qui utilise des films luminescents contenant sa nanotechnologie de points quantiques pour modifier la lumière du soleil sans utiliser d'électricité. Grâce à UbiGro, la lumière du soleil peut être manipulée pour améliorer l'efficacité de la photosynthèse et stimuler la production de fruits et de fleurs. Les points quantiques d'UbiGro déplacent une partie de la lumière ultraviolette et bleue vers le rouge, car l'augmentation de la lumière rouge améliore l'absorption de la chlorophylle.

"Nous le décrivons comme une couche de lumière qui aide les plantes à mieux profiter du soleil", explique Hunter McDaniel, fondateur et PDG d'UbiQD (12). "Il est basé sur l'idée qui a vraiment mûri au fil des ans concernant la qualité de la lumière qui a un impact sur la santé et la productivité des cultures, ce qui est tout aussi important que la quantité de lumière. Les cultivateurs se sont largement concentrés sur la quantité, en particulier dans l'industrie du cannabis."

En dehors du rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) (13), les photons sont généralement considérés comme inutiles pour la photosynthèse, a-t-il expliqué. "C'était l'ancienne façon de penser. Puis, à l'intérieur de la puissance, de 400 à 700 nanomètres, la lumière est en fait PAR. Mais tous les photons ne sont pas égaux pour la photosynthèse", a-t-il déclaré.

Keith McCree, chercheur à Texas A&M, a été le premier à travailler sur l'éclairage en 1970 avec la courbe de McCree (14), qui a été utilisée pour établir les sélections de longueurs d'onde et les rapports spectraux optimaux pour différentes cultures. Il s'agit d'un tracé de 22 cultures de céréales, d'oléagineux et de légumes (dont le cantaloup, le trèfle, le coton, la laitue, la tomate, la courge, le concombre et le soja) sur lequel il a examiné l'efficacité de la photosynthèse en fonction de la couleur.

L'objectif des mesures était de "fournir une base factuelle pour une définition standard du rayonnement photosynthétiquement actif".

La lumière rouge est environ 30 %, voire 50 % plus efficace que la lumière verte, et environ 20 à 30 % plus efficace que la lumière bleue, si l'on compare les photons entre eux, a déclaré M. McDaniel. "Si l'on pouvait donner plus de lumière rouge aux plantes, elles devraient être plus productives", a-t-il ajouté.

En plus de changer la couleur, UbiGro diffuse également une lumière plus diffuse à la plante. "En diffusant la lumière, on obtient plus de lumière dans la partie inférieure de la canopée, une lumière plus complète pour la plante", a déclaré M. McDaniel.

Les plantes ont évolué pour détecter la saison en partie par la couleur, car le soleil descend dans le ciel au fur et à mesure que la saison avance. "Il y a plus de rouge dans le spectre. Il est donc bien connu dans la communauté du cannabis qu'une plus grande quantité de lumière rouge peut aider à déclencher la floraison", a déclaré M. McDaniel. "Mais au premier stade de la croissance, si vous donnez aux plantes plus de lumière bleue, cela les incite à penser que c'est l'été et qu'elles ont besoin de grandir. J'ai besoin de grandir et de devenir grande". Puis, avec la lumière rouge, elle se dit : "Je devrais commencer à me préoccuper de l'hiver. L'hiver arrive. Je dois commencer à me reproduire. Les fruits et les bourgeons permettent à la plante de survivre à l'hiver", explique Mme McDaniel.

Avec UbiGro, le cultivateur fait croire à la plante qu'il est temps de faire ce qu'il veut qu'elle fasse. "Nous avons tendance à nous concentrer davantage sur la productivité de la plante, c'est-à-dire les fleurs, les fruits, les bourgeons, et cela peut être déclenché par une plus grande quantité de lumière rouge.

"Le cannabis est une plante compliquée à cultiver", a déclaré M. McDaniel. "Il est difficile d'aborder ce secteur en raison de l'incertitude réglementaire et des variations entre les États, ainsi que du cycle d'expansion et de ralentissement. Il s'agit d'une usine à forte intensité de capital, de main-d'œuvre et d'énergie. La rentabilité n'est donc pas aussi élevée qu'on pourrait le penser. Vous voyez que la valeur par livre est 1000 fois supérieure à celle des tomates, elle devrait donc être 1000 fois plus lucrative, n'est-ce pas ? Eh bien, maintenant, cela coûte aussi beaucoup plus cher à produire".

M. McDaniel pense que le cannabis peut être un marché de tête de pont, un premier marché pour les nouvelles technologies. Il explique que l'industrie du cannabis est également très ouverte à la technologie. "Je pense que c'est dans leur ADN d'essayer de nouvelles choses et d'être un peu plus franc-tireur" ,a-t-il déclaré.

"L'alimentation et le cannabis se rencontrent dans les serres. L'industrie du cannabis sort de l'obscurité, de l'entrepôt et entre dans la serre. L'industrie alimentaire sort du champ pour entrer dans la serre", a ajouté M. McDaniel. " L'industrie des serres est donc en train d'exploser en ce moment parce qu'elle vient des deux côtés. Nous jouons un rôle dans ce domaine.

Conclusion

Le problème permanent du cannabis que les généticiens des semences doivent comprendre est qu'il est cultivé par l'homme depuis des milliers d'années. Il est difficile de déchiffrer les origines de la plante et la véritable génétique de la graine. "Heureusement, il existe encore des populations sauvages de cannabis qui s'auto-reproduisent ou s'auto-ensemencent chaque année", a déclaré M. Pennington.

Il s'est rendu en pèlerinage en Jamaïque pour trouver les variétés cultivées dans ce pays, notamment des variétés comme la Lamb's Bread (également connue sous le nom de Lamb's Breath, avec une lignée consanguine originale remontant au roi Salomon [15]). "Malheureusement, nous avons constaté qu'elles avaient presque disparu de toute l'île. Nous allions dans les lieux communs où le cannabis est cultivé et nous demandions s'ils avaient des graines de ces vieilles variétés jamaïcaines. Ils nous répondaient : "Je n'en sais rien". Mais les graines OG Kush , nous les avons. Nous avons des graines Sour Diesel ", a déclaré M. Pennington.

Il a indiqué qu'il recherchait quelqu'un qui souhaiterait se porter candidat pour travailler sur une proposition de subvention en Californie avec la Humboldt Seed Company afin de créer une association à but non lucratif et de l'aider à mettre en place une installation de stockage cryogénique de graines de cannabis. "Ce que nous recherchons, c'est un moyen de prédire - avec, disons, 10 000 graines - exactement à quoi elles vont ressembler, quelle odeur elles vont dégager et quelle taille elles vont atteindre lorsqu'elles fleuriront", a déclaré M. Pennington.

Selon M. Kessler, les entreprises qui travaillent sur les technologies de pointe de l'industrie doivent avant tout comprendre que le cannabis a 100 ans de retard sur toutes les autres cultures agronomiques modernes. "Le cannabis n'étant pas légal, les universités n'ont pas travaillé dessus. Les informations détenues par les anciens cultivateurs étaient très confidentielles et non scientifiques. Et en même temps, elles proviennent d'un groupe de personnes pour lesquelles il existe des preuves de collecte de données. Il y avait donc beaucoup de connaissances non institutionnalisées", a-t-il déclaré. "Elles étaient dispersées, circonstancielles et ne suivaient pas le processus scientifique. Cela ne dévalorise pas l'information, cela ne la rend pas fausse. Cela signifie simplement qu'elle n'est pas durable ou corroborée".

Selon M. McDaniel, l'une des leçons qu'il a apprises au sujet de l'industrie est la grande variété qu'elle offre. "C'est un grand secteur. On s'attend donc à ce qu'il y ait une certaine variété. Mais il suffit d'entrer dans une serre après l'autre pour constater qu'il y a tellement de techniques de culture et de structures différentes, de types de matériaux et de toitures différents. Il n'y a pas deux serres identiques. Mais cela signifie aussi que nous devons vraiment collaborer avec le producteur, nous rendre sur place, nous salir les mains et être avec lui sur le terrain, si l'on peut dire, dans la serre. Nous passons beaucoup de temps avec eux, ce qui est formidable.

Références

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/.