Estão chegando os avanços no cultivo de uma planta de cannabis mais uniforme

Melhor genética de sementes, iluminação sintonizável sem energia e outras novas descobertas científicas estão fazendo progressos no que se tornou um setor líder em tecnologia agrícola.

Há muita coisa acontecendo no mundo do cultivo de cannabis hoje em dia, muitas delas impulsionando um olhar mais aprofundado sobre como controlar a planta durante todo o seu ciclo de crescimento e trabalhar com a genética para produzir de forma confiável a mesma planta com os mesmos efeitos, cultivo após cultivo. Os métodos para alcançar a padronização e a uniformidade estão impulsionando novas descobertas.

Esta coluna "Inovações tecnológicas" examinará novas ideias no cultivo, incluindo o gerenciamento de problemas de mofo e bolor por meio da genética; manter a instalação de cultivo protegida contra patógenos; novas ideias de iluminação que não usam eletricidade; e uma melhor compreensão da edição do gene da semente de cannabis.

Geralmente, as plantas de cannabis são cultivadas a partir de clones - de cortes de plantas fêmeas - que produzirão um produto uniforme. Mas há problemas com isso. "Alguns dos aspectos realmente negativos do cultivo a partir de clones é a transmissão de pragas e patógenos", disse Nathaniel Pennington.

Pennington é o fundador e CEO da Humboldt Seed Company. Ele é um ex-produtor de cannabis antigo, agora um cientista e criador. "Essa transmissão é provavelmente o pior aspecto da propagação de clones. Você pode passar sem usar pesticidas e cultivar uma cannabis muito boa se começar com sementes limpas."

A semente é basicamente a cultura de tecidos da natureza, explicou ele, e essa é a maneira mais limpa e estéril de compartilhar tecidos vivos de plantas. "A semente em si é essa nova vida que não carrega consigo, em 99% das vezes, um vírus ou algum outro patógeno que possa vir de uma planta-mãe onde se obtêm clones", disse Pennington.

A Humboldt Seed Company desenvolveu uma forma de obter sementes de cannabis feminizadas, trabalhando com uma equipe de consultores de genômica e melhoramento da Universidade da Califórnia-Davis para desenvolver um método proprietário de melhoramento de sementes feminizadas (1). A empresa está fazendo o sequenciamento completo de várias variedades diferentes de cannabis. "E, no momento, estamos fazendo a reprodução assistida por marcadores com flores automáticas", disse Pennington. "É útil poder determinar rapidamente se uma planta herdou uma determinada característica ou não antes de ter que cultivá-la até o fim para florescer. Portanto, a reprodução assistida por marcadores e a anotação do genoma são peças importantes do nosso quebra-cabeça no momento."

A Humboldt e outras empresas de sementes estão recebendo assistência com mais descobertas no horizonte, como os resultados provenientes de projetos em andamento na Agricultural Genomics Foundation (2), trabalhando em colaboração com a Cannabis Genomic Research Initiative (CGRI) para mapear o genoma da cannabis e os detalhes genéticos da planta.

Um dos projetos do CGRI (3) é um mapa genético de densidade ultra-alta da cannabis. "O sequenciamento completo do genoma está se tornando cada vez mais acessível até mesmo para empresas como a nossa, que não são altamente capitalizadas", disse Pennington.

Edição do gene da semente de cannabis

A primeira vez (4) que uma empresa comercial realizou a edição do genoma em uma planta de cannabis foi anunciada pela startup israelense CanBreed, que trabalha em uma instalação de 12.000 pés quadrados para testes de sementes e em uma fazenda de 45.000 pés quadrados para testes e produção de sementes (5).

A edição do gene da semente foi feita usando a tecnologia de edição de genes CRISPR-Cas9 (6), projetada para tornar a planta resistente ao míldio. A CRISPR/Cas9 edita os genes cortando o DNA com precisão e deixando que os processos naturais de reparo do DNA assumam o controle.

A empresa tem como objetivo criar e depois vender sementes de maconha (chamadas de híbridas F1 [7]) que tenham uma característica de resistência ao oídio e, com sorte, usar a mesma tecnologia para editar genes adicionais para aprimorar outras características da planta.

Ido Margalit é agrônomo, ex-CEO da Syngenta, empresa iniciante de dispositivos médicos, e cofundador da CanBreed. "O que existe no setor de cannabis é uma falta de padronização e uniformidade", disse ele. "A planta de cannabis é cultivada a partir de um clone. A genética não foi estabilizada. Se você não estabilizar a genética de uma planta, não poderá reproduzi-la a partir da semente. Porque isso significa que cada semente de uma planta é geneticamente diferente. Para obter uma planta estável, uma semente uniforme e estável, há um processo que leva de 3 a 4 anos. E ninguém aplicou esse conhecimento, que é muito comum no setor de sementes, às sementes de maconha", disse ele.

Tomates e outras culturas desenvolveram resistência ao mesmo tipo de míldio que está afetando a cannabis, disse ele. "O que fizemos foi analisar os genes que essas plantas resistentes ao míldio têm e perguntamos se a maconha tem o mesmo gene. A resposta é sim. A cannabis é apenas mais uma cultura agrícola. Não é diferente da maioria das outras culturas. Uma planta é uma planta".

Ajudando o setor de cânhamo

A CanBreed também tem uma empresa subsidiária nos EUA que opera uma fazenda de produção de sementes de cânhamo com 140.000 pés quadrados.

Seu trabalho de edição de genes na cannabis inclui a semente de cânhamo em um processo para ajudar os produtores de cânhamo a manter um nível legal de tetrahidrocanabinol (THC) em suas plantas de cânhamo. Os níveis de THC podem se tornar "quentes" como resultado de uma genética ruim, de acordo com um estudo (8). "Identificamos e editamos o gene que controla a quantidade de THC", disse Margalit. "E vamos levar isso para os EUA até o final de 2022. É a primeira semente de cânhamo estável e uniforme que não tem capacidade genética de expressar THC."

Margalit também faz uma distinção entre a edição de sementes genéticas que ele faz e os organismos geneticamente modificados (OGM). Embora os OGMs estejam presentes em muitos dos alimentos que os seres humanos consomem, a maioria das culturas transgênicas cultivadas nos Estados Unidos é usada para alimentação animal. Mas há outros usos. Por exemplo, a engenharia genética, que é o processo usado para criar OGMs, foi usada pela primeira vez para produzir insulina humana, um medicamento usado para tratar diabetes (9).

"OGM é a expressão de um gene estrangeiro", disse Margalit. "Não introduzimos nenhum material estranho na planta na edição de genes de sementes. Alteramos um determinado gene que está na planta. Sabemos que, se você remover esse gene, ele deixará de funcionar como deveria. Quando você altera a função, obtém a resistência (ao míldio)."

A edição de genes pode se tornar um meio de obter sempre uma planta de cannabis idêntica? Pennington tem sua opinião sobre isso: "É preciso muito para alterar o cultivar ou a variedade específica para herdar, vez após vez, essa resistência ao oídio", disse ele. "O mercado está tão inconstante no momento que não tenho certeza se a resistência ao oídio é o principal argumento de venda da cannabis."

David Kessler, diretor científico da Agrify, uma fornecedora de soluções para o cultivo de cannabis, disse que há "dezenas e dezenas de pessoas tentando fazer isso" - estabilizar o gene da semente - porque é "um grande negócio".

"Quando vou à Home Depot e compro um pacote de sementes de tomate, 99 em cada 100 desses tomates crescerão do mesmo tamanho, na mesma velocidade, e produzirão um tomate bastante homogeneizado. Ele será o que chamamos de estabilizado. No caso da cannabis, a semente está em toda parte. Ela é representativa de um genoma muito diversificado. Portanto, se eu cultivar 10 sementes, é muito provável que eu tenha 10 expressões fenotípicas e quimiotípicas diferentes, mesmo que tecnicamente elas tenham vindo da mesma mãe."

Mais ferramentas

Mais ferramentas e dispositivos estão sendo utilizados nas operações de cultivo de cannabis em ambientes fechados, à medida que outras fontes de novas tecnologias estão sendo investigadas. Um desses dispositivos é o Blue Zone, da Agrify. Trata-se de um dispositivo de estilo militar para reduzir odores e matar mofo e bactérias.

O Blue Zone funciona fazendo o ar circular por uma câmara de reação projetada para destruir agentes patogênicos. Os compostos químicos que criam odores são oxidados, enquanto os esporos de mofo e botrytis (um fungo comum ao ar livre) são atraídos por uma luz ultravioleta autônoma que os mata instantaneamente (10). "A tecnologia em si foi desenvolvida no início dos anos 2000 para o exército dos EUA e atualmente está instalada em todos os porta-aviões dos EUA", disse Kessler. "O que é interessante, porém, é que a aplicação original não era para biossegurança ou segurança humana. Era porque o produto era capaz de destruir o etileno, que é um gás criado durante a maturação e o amadurecimento dos produtos. Com isso, eles conseguiram aumentar bastante a vida útil de frutas e vegetais para os soldados."

Os cultivadores estão observando mais atentamente a biossegurança de seu cultivo, disse Kessler. "A cannabis é uma das culturas de commodities agrícolas de maior valor por peso", disse ele. "Portanto, é claro que você quer fazer tudo o que estiver ao seu alcance para evitar problemas ou resolvê-los, se houver."

Cada Blue Zone individual é plug and play, disse ele, o que significa que um operador de cultivador pode literalmente colocá-lo em uma mesa, conectá-lo, ligá-lo e ele controlará 15.000 pés cúbicos de espaço aéreo para patógenos. "Isso também tornará o ar mais limpo e saudável para seus funcionários. E acho que isso não deve ser subestimado", disse Kessler. "Acho que se você puder cuidar da sua equipe, ela cuidará bem das suas instalações e, assim, todos sairão ganhando juntos."

Nanotecnologia e Cannabis

Outra nova tecnologia que está sendo utilizada no cultivo de cannabis é o ponto quântico, que é uma partícula semicondutora de tamanho nanométrico. Os pontos quânticos são amplamente utilizados por suas propriedades ópticas exclusivas, já que emitem luz de comprimentos de onda específicos se a energia for aplicada a eles.

Esses comprimentos de onda de luz podem ser ajustados com precisão alterando várias propriedades da partícula, inclusive a forma, a composição do material e o tamanho (11).

A UbiQD, uma empresa de materiais avançados, criou o produto UbiGro, que usa filmes luminescentes contendo sua nanotecnologia de pontos quânticos para ajustar essencialmente a luz solar sem usar eletricidade. Com o UbiGro, a luz solar pode ser manipulada para aumentar a eficiência fotossintética e impulsionar a produção de frutas e flores. Os pontos quânticos do UbiGro deslocam uma parte da luz ultravioleta e azul para o vermelho, pois o aumento da luz vermelha melhora a absorção da clorofila.

"Nós o descrevemos como uma camada de luz que ajuda as plantas a obter mais do sol", disse Hunter McDaniel, fundador e CEO da UbiQD (12). "Ele se baseia na ideia que vem amadurecendo ao longo dos anos sobre o impacto da qualidade da luz na saúde e na produtividade das culturas, que é tão importante quanto a quantidade de luz. Os produtores têm se concentrado muito na quantidade, especialmente no setor de cannabis."

Fora da radiação fotossinteticamente ativa (PAR) (13), os fótons são geralmente considerados inúteis para a fotossíntese, explicou ele. "Essa era a maneira antiga de pensar. E então, dentro da potência, de 400 a 700 nanômetros, a luz é realmente PAR. Mas nem todos os fótons são iguais para a fotossíntese", disse ele.

O Dr. Keith McCree, pesquisador da Texas A&M, foi pioneiro no trabalho sobre iluminação em 1970 com a curva de McCree (14), que tem sido usada para fornecer um meio de estabelecer as seleções ideais de comprimento de onda e proporções espectrais para diferentes culturas. Trata-se de um gráfico de 22 culturas de grãos, sementes oleaginosas e vegetais (incluindo melão, trevo, algodão, alface, tomate, abóbora, pepino e soja) em que ele examinou a eficiência fotossintética em relação à cor.

O objetivo das medições era "fornecer uma base factual para uma definição padrão da radiação fotossinteticamente ativa".

A luz vermelha é cerca de 30%, ou talvez até 50% mais eficiente do que a luz verde, e cerca de 20 a 30% mais eficiente do que a luz azul, apenas em uma comparação fóton a fóton, afirmou McDaniel. "Portanto, se você pudesse fornecer mais luz vermelha às plantas, elas seriam mais produtivas", acrescentou.

Além de mudar a cor, o UbiGro também proporciona uma luz mais difusa para a planta. "Assim, ao difundir a luz, você pode obter mais luz para o dossel inferior, mais luz total para a planta", disse McDaniel.

As plantas evoluíram para perceber a estação parcialmente pela cor porque o sol fica mais baixo no céu à medida que a estação avança. "Você fica mais vermelho no espectro. Portanto, é bem conhecido na comunidade da cannabis que mais luz vermelha pode ajudar a desencadear a floração", disse McDaniel. "Mas no estágio inicial de crescimento, se você der mais luz azul às plantas, elas pensarão: 'Ei, estamos no verão. Preciso ficar grande e alta'. Depois, com a luz vermelha, ela pensa: 'Devo começar a me preocupar com o inverno. O inverno está chegando. Preciso começar a me reproduzir". Os frutos e os botões são a maneira de a planta sobreviver ao inverno", disse McDaniel.

Com a UbiGro, o produtor engana a planta para que ela pense que é hora de fazer o que ele quer que ela faça. "Tendemos a nos concentrar mais na produtividade da planta, o que significa flores, frutos, botões, e isso pode ser acionado por mais luz vermelha."

"A cannabis é uma cultura complicada de se cultivar bem", disse McDaniel. "É difícil abordar o setor porque há muita incerteza regulatória e variação entre os estados, além de uma espécie de ciclo de expansão e recessão. É uma fábrica de capital intensivo, mão de obra intensiva e energia intensiva. Portanto, a lucratividade não é tão grande quanto se poderia esperar. Você vê que o valor por quilo é 1.000 vezes maior do que o do tomate, portanto, deveria ser 1.000 vezes mais lucrativo, certo? Bem, agora, na verdade, custa muito mais para produzi-lo também."

McDaniel acredita que a cannabis pode ser um mercado de ponta - um primeiro mercado - para novas tecnologias. Ele explicou que o setor de cannabis também é muito aberto à tecnologia. " Achoque está no DNA deles experimentar coisas novas e ser um pouco mais rebelde", disse ele.

"Os alimentos e a cannabis estão se encontrando na estufa. A indústria da cannabis está saindo da escuridão, do armazém e indo para a estufa. O setor de alimentos está saindo do campo para a estufa", acrescentou McDaniel. "E então eles estão se tornando colaborativos na estufa, de modo que o setor de estufas está explodindo no momento, porque vem de ambos os lados. Nós participamos disso."

Conclusão

O problema constante com a maconha que os geneticistas de sementes precisam entender é que ela vem sendo cultivada por seres humanos há milhares de anos. É difícil decifrar as origens da planta e a verdadeira genética da semente. "Felizmente, ainda existem populações selvagens de cannabis que se autorreplicam ou se autossemeam todos os anos", disse Pennington.

Ele fez uma peregrinação à Jamaica para encontrar as variedades cultivadas lá, como as variedades Lamb's Bread (também conhecida como Lamb's Breath, com uma linhagem original consanguínea que remonta ao Rei Salomão [15]). "Infelizmente, o que descobrimos foi que elas quase desapareceram de toda a ilha. Nós íamos a esses lugares comuns onde a maconha é cultivada e perguntávamos se eles tinham alguma dessas sementes das antigas variedades jamaicanas. E eles diziam: "Não sei. Mas temos sementes de OG Kush . Temos sementes de Sour Diesel'", disse Pennington.

Ele disse que está procurando alguém que queira se candidatar para trabalhar em uma proposta de subsídio na Califórnia com a Humboldt Seed Company para iniciar uma organização sem fins lucrativos e ajudá-los a iniciar uma instalação criogênica de armazenamento de sementes de cannabis. "O que buscamos é uma maneira de prever - com, digamos, 10.000 sementes - exatamente qual será a aparência, o cheiro e o tamanho que terão quando florescerem", disse Pennington.

Kessler disse que, antes de mais nada, as empresas que trabalham com a tecnologia de ponta para o setor precisam entender que a cannabis está 100 anos atrás de qualquer outra cultura agronômica moderna. "Ela não era legalizada, portanto as universidades não trabalhavam com ela. As informações que eram mantidas pelos cultivadores antigos eram realmente bem guardadas e não científicas. E, ao mesmo tempo, provinham de um grupo de pessoas com evidências de coleta de dados. Portanto, havia muito conhecimento não institucionalizado", disse ele. "Ele estava espalhado, era circunstancial, não estava seguindo o processo científico. Agora, isso não desvaloriza a informação, não a torna errada. Apenas faz com que não sejam sustentáveis ou substanciais."

De acordo com McDaniel, uma lição que ele aprendeu sobre o setor é a variedade que existe. "É um grande setor. Portanto, é de se esperar que haja alguma variedade. Mas só de entrar em uma estufa após a outra, há tantas técnicas e estruturas de cultivo diferentes e diferentes tipos de materiais, diferentes tipos de cobertura. Não há duas estufas iguais. Mas isso também significa que realmente temos que colaborar com o produtor, ir até lá, sujar as mãos e estar com ele no solo, se preferir, na estufa. Então, passamos muito tempo com eles, o que é ótimo."

Referências

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/.