Wie 193 Cannabis-Genome die Gesundheit, die Industrie und den Planeten revolutionieren könnten

Unter der Leitung von Forschern des Salk Institute und in Zusammenarbeit mit Oregon CBD, der Oregon State University und dem HudsonAlpha Institute of Biotechnology hat das Team das bislang umfassendste Cannabis-Pangenom erstellt. Zusammengestellt aus 193 verschiedenen Cannabis-Genomen, offenbart diese genetische Karte eine erstaunliche Vielfalt und legt den Grundstein für eine beschleunigte Züchtung in Medizin, Landwirtschaft und Industrie.

„Cannabis ist eine der außergewöhnlichsten Pflanzen auf der Erde“, sagte Todd Michael, Hauptautor der Studie und Forschungsprofessor am Salk Institute. „Dank dieser neuen genomischen Blaupause können wir nun moderne Züchtungstechniken anwenden, um neue Verbindungen und Merkmale in der Landwirtschaft, Medizin und Biotechnologie zu entdecken.“

Das chemische Arsenal der Pflanze freisetzen

Die Cannabis Sativa L. ist eine wahre chemische Goldgrube. Sie kann über 30% ihres Trockengewichts an Cannabinoiden und Terpenen produzieren, kleinen Molekülen, die in den Drüsentrichomen synthetisiert werden, die die Blüten der Pflanze bedecken. Diese Verbindungen dienen der Pflanze als natürlicher Schutz, werden aber vom Menschen wegen ihrer therapeutischen, aromatischen und psychoaktiven Wirkung genutzt.

Unter ihnen sind CBD (Cannabidiol) und THC (Tetrahydrocannabinol) die bekanntesten. Die Popularität von Sorten wie Charlotte’s Web, die für ihre antiepileptischen Eigenschaften bekannt ist, hat beispielsweise die Akzeptanz von CBD in der breiten Öffentlichkeit gefördert und zu einem erneuten wissenschaftlichen Interesse geführt.

Doch trotz der Vielseitigkeit von Cannabis, die von Biokraftstoffen bis hin zu nahrhaften Ölen reicht, blieb seine genomische Architektur lange Zeit ein Rätsel. Gesetzliche Beschränkungen haben eine systematische Auswahl und Forschung verhindert, wodurch viele Merkmale unerforscht und unterentwickelt blieben.

Ein Durchbruch in der Genomtechnologie

Traditionelle genetische Studien stießen bei Cannabis aufgrund seines komplexen Genoms auf Schwierigkeiten. Wie nur 5% aller Pflanzen ist Cannabis dioisch, was bedeutet, dass es unterschiedliche männliche und weibliche Pflanzen gibt. Ihr Genom ist außerdem mit transponierbaren Elementen gesättigt, DNA-Abschnitten, die durch das Genom „springen“, was die Sequenzierung und Analyse erschwert.

Das Team überwand diese Schwierigkeiten durch den Einsatz von Long-Reading-Sequenzierungstechnologien, mit denen Tausende von Basenpaaren auf einmal entschlüsselt werden können, anstatt fragmentierte Sequenzen zusammenzusetzen. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, beide Chromosomensätze (einen von jedem Elternteil) in einem Verfahren namens Haplotypenauflösung zu kartieren, was für Cannabis ein Novum darstellt.

„Wir gehören zu den ersten, die diese Long-Reading-Technologie im großen Maßstab im Zusammenhang mit dem Pangenom nutzen“, sagte die leitende Koautorin Lillian Padgitt-Cobb, eine Postdoctoral Researcherin in Michaels Labor.

„Das bringt uns all diese Informationen über strukturelle Variationen und die Reihenfolge der Gene, die die endgültigen Entscheidungen über die Auswahl günstiger Merkmale bei Cannabispflanzen erhellen können.“

Versteckte Vielfalt und Chancen für Innovationen

Die Pangenomstudie, bei der 144 Pflanzen aus der ganzen Welt untersucht wurden, offenbarte ein erstaunliches Ausmaß an genetischer Vielfalt. Durch die Auflösung der beiden Chromosomensätze jeder Pflanze setzte das Team 193 Genome zusammen, von denen 181 noch nie zuvor katalogisiert worden waren.

Diese Ergebnisse stellen viele Hypothesen in Frage. Nur 23% der Gene wurden in allen Genomen gefunden, während 55% fast universell waren und 21% von Genom zu Genom variierten. Überraschenderweise waren die Gene, die mit dem Fettsäuremetabolismus, dem Wachstum und der Pflanzenabwehr zusammenhingen, am variabelsten und boten somit ein Reservoir für neue Züchtungsstrategien.

Zu den wichtigsten Entdeckungen gehört die genetische Basis von Tetrahydrocannabivarin (THCV), einem weniger bekannten Cannabinoid, das wegen seiner energiespendenden und nicht-psychotropen Wirkung zunehmend Interesse findet. Die Forscher identifizierten, dass Variationen des Weges der Fettsäurebiosynthese die Produktion von THCV bestimmen, und eröffneten damit eine neue Grenze in der funktionellen Cannabiszüchtung.

Außerdem wurden die Gene THCAS und CBDAS, die für die Synthese von THC und CBD verantwortlich sind, in transponierbare Elemente integriert gefunden, was darauf hindeutet, dass die vom Menschen gesteuerte Selektion – das breeding – wesentlich zur genomischen Vielfalt der Art beigetragen hat.

Züchtung neu denken: Die Rolle der männlichen Pflanzen

Die Studie beleuchtet auch die Sexualchromosomen von Cannabis. Jahrelang hat die moderne Züchtung den feminisierten Samen Vorrang eingeräumt, indem sie weibliche Pflanzen dazu veranlasste, männliche Blüten zu produzieren, und damit jeden Beitrag des Y-Chromosoms ausschloss. Diese Abkürzung könnte jedoch einen hohen Preis haben.

„Es gibt Gene, die nur in den ‚Vater‘-Pflanzen vorhanden sind und die zur Selektion von leistungsfähigeren Nachkommen verwendet werden können“, schreiben die Autoren. Wenn die Züchter das männliche Genom ignorieren, könnten ihnen wertvolle Merkmale entgehen, die mit Vitalität, Resilienz oder sogar der Produktion neuer Verbindungen zusammenhängen.

Laut Ryan Lynch, einem weiteren leitenden Koautor, könnte die Integration dieses genetischen Wissens in die kommerzielle Züchtung ein bedeutendes Wachstum katalysieren: „Sobald sich das Interesse des Marktes mit diesem neuen Wissen über das Cannabisgenom verbindet, das die Züchtungsbemühungen leiten kann, glaube ich, dass Hanf und Hanföle einen echten Aufschwung in den Anwendungen für die menschliche Gesundheit und die Industrie erleben werden.“

Nächste Schritte?

Das Forschungsteam hofft, dass das Cannabis-Pangenom als offene und dynamische Referenz für Wissenschaftler, Züchter und politische Entscheidungsträger auf der ganzen Welt dienen wird. Dieses Wissen könnte die genaue Auswahl leiten, um Züchtungen zu entwickeln, die für medizinische Anwendungen, nachhaltige Landwirtschaft und sogar für bioindustrielle Verwendungen wie alternative Flugzeugtreibstoffe oder Samenöle mit hohem Nährwert geeignet sind.

Die Studie präzisiert auch die wahrscheinliche Existenz eines wilden Cannabis-Ahnen in Asien, der unerschlossene genetische Merkmale bergen könnte, die durch einzigartige Umweltbedingungen geformt wurden. Die Entdeckung und Sequenzierung einer solchen Pflanze könnte das Pangenom weiter ausdehnen und noch mehr Werkzeuge für die weltweite Entwicklung von Kulturen bieten.

Wie war das möglich?

Die Erstellung dieser beispiellosen genetischen Karte von Cannabis war nur durch die Kombination von wissenschaftlicher Beharrlichkeit, technologischer Innovation und veränderter Regulierung möglich. Die US-Agrargesetze von 2014 und 2018, die die Forschung und den Anbau von Hanf legalisiert haben, spielten eine entscheidende Rolle. Sie gaben den Forschern den rechtlichen Rahmen, um Pflanzenproben zu sammeln, institutionsübergreifend zusammenzuarbeiten und fortschrittliche Genomtechniken auf eine Kultur anzuwenden, die früher an den Rand der Wissenschaft gedrängt wurde.

Todd Michael meint: „Die gleichen gesetzlichen Beschränkungen haben eine unterirdische Revolution in der Züchtung angeregt und die Macht von Cannabis als Chemiefabrik enthüllt.“ Doch heute, mit dem Wandel der Politik und dem Fortschritt der Wissenschaft, tritt Cannabis aus dem Schatten, bewaffnet mit einem Genom, einem Plan und einer Zukunft.