Er komen doorbraken aan voor een uniformere cannabisplant'.

Betere zaadgenetica, energievrije afstembare verlichting en andere nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen boeken vooruitgang in wat een toonaangevende agrotechnologische industrie is geworden.

Er gebeurt tegenwoordig zoveel in de wereld van de cannabiskweek, en veel daarvan dwingt ons om dieper in te gaan op de vraag hoe we de plant gedurende haar hele groeicyclus kunnen controleren en met genetica kunnen werken om betrouwbaar dezelfde plant met dezelfde effecten te produceren, kweek na kweek. Methoden om standaardisatie en uniformiteit te bereiken zorgen voor nieuwe ontdekkingen.

Deze rubriek "Tech Innovations" gaat in op nieuwe ideeën in de kweek, waaronder het beheren van schimmel- en meeldauwproblemen door middel van genetica, het veilig houden van de kweekfaciliteit voor ziekteverwekkers, nieuwe ideeën voor verlichting die geen elektriciteit gebruikt en een beter begrip van het bewerken van de genen van het cannabiszaad.

Over het algemeen worden cannabisplanten gekweekt uit klonen - uit stekken van vrouwelijke planten - wat een uniform product oplevert. Maar daar zijn problemen mee. "Een van de echt negatieve dingen van het kweken uit klonen is de overdracht van ongedierte en ziekteverwekkers," zei Nathaniel Pennington.

Pennington is de oprichter en CEO van Humboldt Seed Company. Hij is een voormalige legacy cannabisproducent en nu wetenschapper en kweker. "Die overdracht is waarschijnlijk het ergste aan kloonvermeerdering. Je kunt zonder pesticiden kweken en echt mooie cannabis kweken als je schoon begint met zaad."

Zaad is eigenlijk de weefselkweek van de natuur, legde hij uit, en dat is de schoonste en meest steriele manier om levend plantenweefsel te delen. "Het zaad zelf is dit nieuwe leven dat in 99% van de gevallen geen virus of andere ziekteverwekkers met zich meedraagt die afkomstig kunnen zijn van een moederplant waar je klonen krijgt," zei Pennington.

Humboldt Seed Company heeft een manier ontwikkeld om gefeminiseerd cannabiszaad te verkrijgen, door samen te werken met een team van genomics- en kweekconsultants van de University of California-Davis om een eigen methode te ontwikkelen voor het kweken van gefeminiseerde zaden (1). Het bedrijf is bezig met de volledige sequentiebepaling van een aantal verschillende cannabisvariëteiten. "En op dit moment doen we aan marker assisted breeding met autoflowers," zei Pennington. "Het is handig om snel te kunnen bepalen of een plant een bepaalde eigenschap heeft geërfd of niet, voordat de plant volledig tot bloei moet komen. Dus merkerondersteunde veredeling en genoomannotatie zijn op dit moment alle belangrijke puzzelstukjes."

Humboldt en andere zaadbedrijven krijgen hulp met meer ontdekkingen in het verschiet, zoals de resultaten van lopende projecten bij de Agricultural Genomics Foundation (2), die samenwerkt met het Cannabis Genomic Research Initiative (CGRI) om het cannabisgenoom en de genetische details van de plant in kaart te brengen.

Een van de CGRI-projecten (3) is een genetische kaart van cannabis met een ultrahoge dichtheid. "De volledige genoomsequentie wordt steeds toegankelijker voor zelfs bedrijven zoals het onze, die niet over veel kapitaal beschikken," zei Pennington.

Het bewerken van het cannabiszaadgen

Wat naar verluidt (4) de eerste keer is dat een commercieel bedrijf genoombewerking heeft uitgevoerd op een cannabisplant, werd aangekondigd door de Israëlische startup CanBreed, die werkt in een 12.000 vierkante meter grote faciliteit voor het testen van zaden en een 45.000 vierkante meter grote boerderij voor proeven en zaadproductie (5).

Het bewerken van zaadgenen werd gedaan met CRISPR-Cas9-genbewerkingstechnologie (6), ontworpen om de plant resistent te maken tegen meeldauw. CRISPR/Cas9 bewerkt genen door nauwkeurig DNA door te knippen en vervolgens natuurlijke DNA-herstelprocessen het te laten overnemen.

Het bedrijf wil cannabiszaden maken en vervolgens verkopen (F1 hybride genoemd [7]) die resistent zijn tegen echte meeldauw, en hopelijk dezelfde technologie gebruiken om extra genen te bewerken om andere eigenschappen in de plant te verbeteren.

Ido Margalit is landbouwkundige, voormalig CEO van startup Syngenta van medische apparatuur en medeoprichter van CanBreed. "Wat je hebt in de cannabisindustrie is een gebrek aan standaardisatie en uniformiteit," zei hij. "De cannabisplant wordt gekweekt uit een kloon. De genetica is niet gestabiliseerd. Als je de genetica van een plant niet stabiliseert, kun je hem niet uit zaad reproduceren. Dat betekent dat elk zaadje van een plant genetisch anders is. Om een stabiele plant te krijgen, een stabiel uniform zaad, is er een proces dat 3 tot 4 jaar duurt. En niemand heeft die knowhow, die heel gebruikelijk is in de zaadindustrie, toegepast op cannabiszaad," zei hij.

Tomaten en andere gewassen hebben resistentie ontwikkeld tegen dezelfde soort meeldauw die cannabis aantast, zei hij. "Wat we hebben gedaan is kijken naar de genen die deze meeldauwresistente planten hebben en ons afvragen of cannabis hetzelfde gen heeft. Het antwoord is ja. Cannabis is gewoon een landbouwgewas. Het verschilt niet van de meeste andere gewassen. Een plant is een plant."

De hennepindustrie helpen

CanBreed heeft ook een dochteronderneming in de VS die een 140.000 vierkante meter grote kwekerij voor de productie van hennepzaden beheert.

Hun werk op het gebied van genbewerking in cannabis omvat ook het hennepzaad in een proces om hennepboeren te helpen een legaal niveau van tetrahydrocannabinol (THC) in hun hennepplanten te houden. THC-niveaus kunnen "heet" worden als gevolg van slechte genetica, volgens één onderzoek (8). "We hebben het gen dat de hoeveelheid THC regelt geïdentificeerd en verwijderd," zei Margalit. "En dat gaan we eind 2022 naar de VS brengen. Het is het eerste stabiele uniforme hennepzaad dat geen enkel genetisch vermogen heeft om THC tot expressie te brengen."

Margalit maakt ook een onderscheid tussen de genetische manipulatie van zaden die hij doet en genetisch gemodificeerde organismen (GGO). Hoewel GGO's in veel van het voedsel zitten dat mensen eten, worden de meeste GGO-gewassen die in de Verenigde Staten worden geteeld gebruikt voor dierlijk voedsel. Maar er zijn ook andere toepassingen. Zo werd genetische manipulatie, het proces dat wordt gebruikt om GGO's te maken, voor het eerst gebruikt om menselijke insuline te maken, een medicijn dat wordt gebruikt om diabetes te behandelen (9).

"GMO is de expressie van een vreemd gen," zei Margalit. "Bij genbewerking voor zaden introduceren we geen vreemd materiaal in de plant. We veranderen een bepaald gen dat in de plant zit. We weten dat als je dat gen eruit haalt, het gen stopt met functioneren zoals het hoort. Zodra je de functie verandert, krijg je de resistentie (tegen meeldauw)."

Kan genetische manipulatie aanslaan als een manier om elke keer een identieke cannabisplant te krijgen? Pennington heeft daar zijn mening over: "Er is zoveel voor nodig om de specifieke cultivar of stam te veranderen om keer op keer deze resistentie tegen echte meeldauw te erven," zei hij. "De markt is op dit moment zo wispelturig dat ik er niet zeker van ben dat resistentie tegen echte meeldauw het belangrijkste verkoopargument voor cannabis is."

David Kessler, de chief science officer van Agrify, een aanbieder van cannabis kweekoplossingen, zei dat er "tientallen mensen zijn die dit proberen te doen" - het zaadgen stabiliseren - omdat het "heel belangrijk is".

"Als ik naar Home Depot ga en een pakje tomatenzaden koop, zullen 99 van de 100 tomaten even groot en even snel worden en een vrij homogene tomaat produceren. Het wordt wat we noemen gestabiliseerd. Bij cannabis is het zaad overal. Het is representatief voor een zeer divers genoom. Dus als ik 10 zaden kweek, is de kans groot dat ik 10 verschillende fenotypische en chemotypische expressies krijg, ook al komen ze technisch gezien van dezelfde moeder."

Meer gereedschap

Er worden steeds meer hulpmiddelen en apparaten ingezet bij de binnenkweek van cannabis, omdat andere bronnen van nieuwe technologie worden onderzocht. Eén zo'n apparaat is de Blue Zone van Agrify. Het is een apparaat in militaire stijl om geuren te verminderen en schimmels en bacteriën te doden.

Blue Zone circuleert lucht door een reactiekamer die ontworpen is om ziekteverwekkers te vernietigen. Chemische verbindingen die geuren veroorzaken worden geoxideerd, terwijl schimmelsporen en botrytis (een veel voorkomende openluchtschimmel) door een autonoom ultraviolet licht worden gezogen dat ze onmiddellijk doodt (10). "De technologie zelf werd in het begin van de jaren 2000 ontwikkeld voor het Amerikaanse leger en is momenteel geïnstalleerd op alle Amerikaanse vliegdekschepen," aldus Kessler. "Wat echter interessant is, is dat de oorspronkelijke toepassing niet was voor menselijke bioveiligheid of veiligheid. Het was omdat het product ethyleen kon vernietigen, een gas dat ontstaat tijdens het rijpen van producten. Door dit te gebruiken, konden ze de houdbaarheid van fruit en groenten voor soldaten aanzienlijk verlengen."

Kwekers kijken beter naar de bioveiligheid van hun teelt, zei Kessler. "Cannabis is een van de landbouwgewassen met de hoogste waarde per gewicht," zei hij. "Dus natuurlijk wil je alles doen wat in je macht ligt om problemen te voorkomen of aan te pakken als je ze hebt."

Elke individuele Blue Zone is plug-and-play, zegt hij, wat betekent dat een operator het letterlijk op een tafel kan zetten, aansluiten, aanzetten en het zal 15.000 kubieke meter luchtruimte controleren op ziekteverwekkers. "Het maakt de lucht ook schoner en gezonder voor je werknemers. En ik denk dat dat niet onderschat mag worden," zei Kessler. "Ik denk dat als je voor je team kunt zorgen, zij goed voor je gebouw zullen zorgen, en dan wint iedereen samen."

Nanotechnologie en cannabis

Een andere nieuwe technologie die wordt gebruikt bij het kweken van cannabis is de quantumdot, een halfgeleiderdeeltje van nanometer groot. Quantum dots worden veel gebruikt vanwege hun unieke optische eigenschappen, omdat ze licht van specifieke golflengten uitzenden als er energie op wordt toegepast.

Deze golflengtes van licht kunnen nauwkeurig worden afgesteld door verschillende eigenschappen van het deeltje te veranderen, waaronder vorm, materiaalsamenstelling en grootte (11).

UbiQD, een bedrijf dat zich bezighoudt met geavanceerde materialen, heeft het product UbiGro ontwikkeld. Dit product maakt gebruik van lichtgevende films die hun quantum dot nanotechnologie bevatten om zonlicht te manipuleren zonder elektriciteit te gebruiken. Met UbiGro kan zonlicht worden gemanipuleerd om de fotosynthese-efficiëntie te verbeteren en de productie van fruit en bloemen te stimuleren. De quantumdots in UbiGro verschuiven een deel van het ultraviolet en blauw licht in de richting van rood, omdat meer rood licht de chlorofylabsorptie verbetert.

"We beschrijven het als een lichtlaag die planten helpt meer uit de zon te halen," zegt Hunter McDaniel, oprichter en CEO van UbiQD (12). "Het is gebaseerd op het idee dat in de loop der jaren tot wasdom is gekomen over de invloed van de kwaliteit van het licht op de gezondheid en productiviteit van gewassen, die net zo belangrijk is als de hoeveelheid licht. Telers hebben zich vooral gericht op kwantiteit, vooral in de cannabisindustrie."

Buiten fotosynthetisch actieve straling (PAR) (13) wordt over het algemeen gedacht dat fotonen nutteloos zijn voor fotosynthese, legde hij uit. "Dat was de oude manier van denken. En dan binnen vermogen, 400 tot 700 nanometer, is licht eigenlijk PAR. Maar niet alle fotonen zijn gelijk voor fotosynthese," zei hij.

Dr. Keith McCree, een onderzoeker aan Texas A&M, was in 1970 pionier op het gebied van verlichting met de McCree-curve (14), die werd gebruikt om de optimale golflengteselectie en spectrale verhoudingen voor verschillende gewassen vast te stellen. Het is een plot van 22 graan-, oliezaad- en groentegewassen (waaronder cantaloupe, klaver, katoen, sla, tomaat, pompoen, komkommer en sojabonen) waarin hij fotosynthetische efficiëntie versus kleur onderzocht.

Het doel van de metingen was om "een feitelijke basis te leveren voor een standaarddefinitie van fotosynthetisch actieve straling".

Rood licht is ongeveer 30%, of misschien zelfs 50% efficiënter dan groen licht, en ongeveer 20-30% efficiënter dan blauw licht, alleen al bij een vergelijking van foton tot foton, stelde McDaniel. "Dus als je planten gewoon meer rood licht zou kunnen geven, zouden ze productiever moeten zijn," voegde hij eraan toe.

Naast het veranderen van de kleur geeft UbiGro ook meer diffuus licht aan de plant. "Dus door het licht te verspreiden, kun je meer licht naar het lagere bladerdak krijgen, meer licht voor de plant," zei McDaniel.

Planten zijn zo geëvolueerd dat ze het seizoen deels aanvoelen aan de hand van de kleur, omdat de zon lager aan de hemel staat naarmate het seizoen vordert. "Je krijgt meer rood in het spectrum. Het is dus algemeen bekend in de cannabisgemeenschap dat meer rood licht kan helpen om de bloei op gang te brengen," zei McDaniel. "Maar als je planten in de vroegere groeifase meer blauw licht geeft, zet dat ze aan het denken 'Hé, het is zomer. Ik moet groot en lang worden. Dan denken ze bij rood licht 'Ik moet me zorgen gaan maken over de winter. De winter komt eraan. Ik moet mezelf gaan voortplanten. Het fruit en de knoppen zijn allemaal bedoeld om de plant de winter te laten overleven," zei McDaniel.

Met UbiGro laat de kweker de plant denken dat het tijd is om te doen wat de kweker wil. "We richten ons meer op de productiviteit van de plant, wat bloei, fruit en toppen betekent, en dat kan worden geactiveerd door meer rood licht."

"Cannabis is een ingewikkeld gewas om goed te kweken," zei McDaniel. "Het is een moeilijke industrie om te benaderen omdat er zoveel onzekerheid is over de regelgeving en variatie tussen de staten, en een soort van boom en bust cyclus. Het is een zeer kapitaalintensieve fabriek, arbeidsintensief, energie-intensief. De winstgevendheid is dus niet zo groot als je zou verwachten. Je ziet dat het per pond 1000 keer meer waard is dan tomaten, dus zou het 1000 keer lucratiever moeten zijn, toch? Nou, nu kost het ook nog eens veel meer om het te produceren."

McDaniel denkt dat cannabis een voorhoedemarkt kan zijn - een eerste markt voor nieuwe technologie. Hij legt uit dat de cannabisindustrie ook erg open staat voor technologie. "Ik denk dat het gewoon in hun DNA zit om nieuwe dingen te proberen en een beetje een buitenbeentje te zijn," zei hij.

"Voedsel en cannabis ontmoeten elkaar in de kas. De cannabisindustrie komt uit het donker, uit het magazijn en in de kas. De voedselindustrie verplaatst zich van het veld naar de kas," voegde McDaniel eraan toe. "En dan worden ze een soort samenwerkingsverband in de kas, dus de kasindustrie explodeert op dit moment omdat het van beide kanten komt. Daar spelen wij op in."

Conclusie

Het voortdurende probleem met cannabis dat zaadgenetici moeten begrijpen, is dat de plant al duizenden jaren door mensen wordt gekweekt. Het is moeilijk om de oorsprong van de plant en de ware genetica van het zaad te ontcijferen. "Gelukkig zijn er nog wilde populaties cannabis die zichzelf elk jaar vermeerderen of uitzaaien," zei Pennington.

Hij ging op pelgrimstocht naar Jamaica om de variëteiten te vinden die daar geteeld werden, zoals soorten als Lamb's Bread (ook bekend als Lamb's Breath met een originele inteeltlijn die teruggaat tot koning Salomon [15]). "Helaas ontdekten we dat ze bijna van het hele eiland verdwenen waren. We gingen naar gewone plaatsen waar cannabis werd gekweekt en vroegen of ze zaden hadden van die oude Jamaicaanse soorten. En dan zeiden ze: 'Dat weet ik niet. Maar OG Kush zaden, die hebben we. We hebben Sour Diesel zaden," zei Pennington.

Hij zei dat hij op zoek is naar iemand die samen met Humboldt Seed Company in Californië wil werken aan een subsidievoorstel om een non-profit te starten en hen te helpen met het opzetten van een cryogene opslagfaciliteit voor cannabiszaden. "Waar we naar op zoek zijn is een manier om met bijvoorbeeld 10.000 zaden precies te voorspellen hoe ze eruit gaan zien, hoe ze gaan ruiken en hoe groot ze worden als ze in bloei komen", zei Pennington.

Kessler zei dat bedrijven die werken aan de toonaangevende technologie voor de industrie eerst en vooral moeten beseffen dat cannabis 100 jaar achterloopt op elk ander modern landbouwgewas. "Het is niet legaal geweest, daarom werkten universiteiten er niet mee. De informatie die in het bezit was van oude kwekers, werd nauwlettend in de gaten gehouden en was niet wetenschappelijk. En tegelijkertijd komt het van een groep mensen waar bewijsmateriaal voor het verzamelen van gegevens voorhanden is. Daarom was er veel niet-geïnstitutionaliseerde kennis," zei hij. "Het was verspreid, het was indirect, het volgde niet het wetenschappelijke proces. Dat maakt de informatie niet minder waardevol of verkeerd. Het maakt het alleen niet duurzaam of onderbouwbaar."

Volgens McDaniel is één les die hij heeft geleerd over de industrie hoeveel variatie er is. "Het is een grote industrie. Dus je zou verwachten dat er enige variëteit zou zijn. Maar als je de ene kas na de andere binnenloopt, zie je dat er zoveel verschillende kweektechnieken en structuren zijn en verschillende soorten materialen, verschillende soorten dakbedekking. Geen twee kassen zijn hetzelfde. Maar het betekent ook dat we echt moeten samenwerken met de teler, erheen moeten gaan, onze handen vuil moeten maken en bij hen in de grond moeten zijn, als je wilt, in de kas. Dan brengen we veel tijd met ze door, wat geweldig is."

Referenties

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/.