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Bevor das Farm Bill von 2018 Hanf legalisierte und die Tore für eine umfassende universitäre Forschung zu Cannabis sativa öffnete – allerdings unter Verwendung von Sorten mit einem THC-Gehalt von nicht mehr als 0,3 % – gab es nur begrenzte wissenschaftliche Studien zu der Pflanze. Aufgrund der bundesstaatlichen Illegalität scheuten universitäre Forschungsprogramme, die zum Überleben auf Bundesmittel angewiesen waren, die Anlage. Die Forschung fiel den Züchtern zu, die ihre Erkenntnisse aus Notwendigkeit und freiwilliger Absicht größtenteils für sich behielten.

Als sich das im Jahr 2018 änderte, bot das Wissen aus jahrzehntelangen praktischen Studien von alten Züchtern ein Sprungbrett für die wissenschaftliche Forschung, doch zwischen Cannabisanbauern und Forschern bestand immer noch eine kulturelle Mauer.

In den letzten Jahren kam es zu einem dramatischen Wachstum bei Universitätsprogrammen, die sich auf rigorose Cannabisforschung konzentrieren, von Cannabis-Ernährungsstudien der North Carolina State University bis hin zu Forschungen der Utah State University, die zu einer neuen Definition von photosynthetisch aktiver Strahlung (PAR) führten, die Bruce Bugbee, Ph.D., nennt bedeutendste Erkenntnis seiner bisherigen Karriere.

Aber das ist nicht die einzige Veränderung. Landwirte, von alten Unternehmen bis hin zu neuen legalen Markteintritten, begrüßen universitäre Forschung, die ihnen einen Wettbewerbsvorteil verschaffen kann.

Zu Beginn des neuen Jahres finden Forscher und Züchter eine gemeinsame Basis, um die Cannabisindustrie zum Wohle aller voranzutreiben. In diesem Sinne erkundigte sich Cannabis Business Times bei vier führenden US-Universitätsforschungsprogrammen nach den neuesten Erkenntnissen der Cannabis sativa-Forschung.

Unter der Leitung von Professor Bruce Bugbee wird das Crop Physiology Lab der Utah State University (USU) oft mit der Verfeinerung der Beziehungen zwischen Pflanzen und Licht in Verbindung gebracht. Doch während Licht ein Schwerpunkt ist, ist die Forschung des Labors breit gefächert.

„Da Cannabis eine neue Nutzpflanze [für Forscher] und eine einzigartige Nutzpflanze in der Art und Weise ist, wie sie wächst und blüht, haben wir in den letzten Jahren mehrere Dinge gelernt“, sagt Bugbee.

Aber die Herangehensweise des USU-Labors an Cannabis unterscheidet sich von vielen anderen. Anstatt zu sagen, dass Forscher nichts über die Pflanze wüssten, verfolgen sie den umgekehrten Ansatz, sagt Bugbee. „Wir sagen, wir wissen alles über diese Pflanze. Wir gehen davon aus, dass es sich um dasselbe handelt wie bei allen anderen Kurztagpflanzen, die wir seit vielen Jahrzehnten untersuchen. Suchen wir nun nach den Ausnahmen von der Regel.“

Erweiterter PAR: Die bahnbrechendste Neuigkeit aus Bugbees Labor betrifft tiefrote Photonen und Photosynthese. Seit einem halben Jahrhundert liegt die akzeptierte Definition der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) – bekannt als McCree-Kurve – im Bereich von 400 bis 700 Nanometern.

Aber Untersuchungen von Bugbee und seinem Team, über die 2019 in der Cannabis Business Times berichtet und die kürzlich von New Phytologist im Jahr 2022 veröffentlicht wurden, legen eine neue Definition von PAR nahe, die als ePAR oder Extended PAR bekannt ist. Von einigen Forschern bereits akzeptiert, erweitert ePAR den oberen Bereich der an der Photosynthese beteiligten Photonen auf 750 Nanometer, einschließlich tiefroter Photonen am Rande des sichtbaren Lichts.

Die Entdeckung, dass tiefrote Photonen – von denen bereits bekannt ist, dass sie die Pflanzenform beeinflussen – auch Photosynthese verursachen, gilt für das gesamte Pflanzenleben und hat Auswirkungen auf alle Wachstumsumgebungen, auch im Freien. Bugbee warnt jedoch davor, dass Züchter in kontrollierten Umgebungen tiefrote Photonen vorsichtig anwenden.

Die gute Nachricht ist, dass tiefrote Photonen die Blattausdehnung erhöhen, sodass Licht schneller eingefangen wird. Aber sie erhöhen gleichzeitig die Stängelverlängerung, was eine schlechte Nachricht ist, wenn kompakte Pflanzen das Ziel sind.

In kontrollierten Umgebungen schlägt Bugbee vor, zu Beginn des Lebenszyklus dunkelrote Photonen anzuwenden, um das Blätterdach zu schließen und alle verfügbaren Photonen einzufangen, und dann die dunkelroten Photonen während der Stängelverlängerung zu Beginn der Blüte zu minimieren, um die Pflanzen kurz zu halten. Wenn diese Phase abgeschlossen ist, öffnen die letzten vier Wochen vor der Ernte laut Bugbee die Tür für die erneute Anwendung dunkelroter Photonen.

Lichtintensität: Laut Bugbee zeichnet sich Cannabis durch seine Fähigkeit aus, von einem extrem hohen Photonenfluss, also Lichtintensität, zu profitieren. Blattgemüse hingegen sättigt etwa 500 Mikromol pro Quadratmeter und Sekunde (µmol/m2/s). Tomaten haben eine Sättigung von etwa 1.000 µmol/m2/s. Aber Cannabis erreicht erst bei viel höheren Konzentrationen eine Sättigung.

„In unseren Studien steigt sie bis zu 2.000 µmol/m2/s, was im Sommer der vollen Sonneneinstrahlung zur Mittagszeit entspricht“, sagt er. Die Forschung des Labors hat einen linearen Zusammenhang zwischen erhöhter Lichtintensität und höheren Cannabiserträgen bis zur Obergrenze von 2.000 PPFD bestätigt – deutlich höher als bei Züchtern in kontrollierten Umgebungen, die traditionell verwendet wurden.

Aber Bugbee betont, dass Cannabis nur dann von hochintensiver Beleuchtung profitiert, wenn nichts anderes die Anbauumgebung einschränkt, und weist auf Bewässerung, Düngung, CO2-Anreicherung und mehr hin: „Man muss alles andere optimieren, um das hohe Licht nutzen zu können.“ ”

Er fügt jedoch hinzu, dass eine erhöhte Lichtintensität nicht immer kosteneffektiv ist. Die Stromrechnungen steigen mit den Erträgen, daher sollte jeder Züchter sowohl die physiologischen als auch die wirtschaftlichen Optimums für seinen Anbau berücksichtigen.

Düngung: Mehrere Forschungslinien der USU beschäftigen sich mit Nährstoffen. Bugbee sagt, dass viele Cannabisanbauer „außerordentlich hohe“ Mengen an Phosphor verwenden, bis zu 100 Teile pro Million (ppm) oder mehr. Untersuchungen bestätigen, dass Cannabis von einem höheren Phosphorgehalt profitiert als typische Pflanzen für die Blütenproduktion, Bugbee geht jedoch von optimalen Werten um 30 ppm aus. Höhere Sätze verschwenden Dünger und Geld und bringen Umweltrisiken mit sich.

Eine faszinierende Studie – die Bugbee als „etwas, das einen jeden Morgen aus dem Bett bringt“ bezeichnet – konzentriert sich auf den Mikronährstoff Kupfer und die Rolle, die eine erhöhte Kupferdüngung bei der Krankheitsbekämpfung spielen könnte. Obwohl Kupfer nur in geringen Mengen für die Pflanzenernährung benötigt wird, wird es häufig als wirksames Fungizid eingesetzt.

„Wir überlegen, den Kupfergehalt zu erhöhen, um Pilzkrankheiten wie Pythium und Fusarium im Wurzelbereich zu hemmen. Wir stellen fest, dass Cannabis diese hohen Kupferwerte verträgt, ohne dass es zu Wachstums- oder Ertragseinbußen kommt. Und deshalb gehen wir davon aus, dass der höhere Kupfergehalt die Krankheitsrate reduzieren wird. „Das ist zwar noch frühe Forschung, aber bisher sieht sie wirklich vielversprechend aus“, erklärt Bugbee.

Erntelenkung: Forscher nennen es vielleicht „phasische Umweltkontrolle“, aber die meisten Züchter nennen es Erntesteuerung oder Steuerung des Pflanzenwachstums durch spezifische Beleuchtung, Nährstoffe, Feuchtigkeit und andere Parameter. Bei der Erntesteuerung besteht besonderes Interesse an der Manipulation der Wurzelzone, um Wachstum und Ertrag zu optimieren. Das Labor von Bugbee untersucht Bereiche wie präzisen Wasserstress und eingeschränkte Nährstoffe während der frühen Blüte – und verfeinert so den schmalen Grat zwischen kurzen Pflanzen und hohen Erträgen.

Mitch Westmoreland, ein Ph.D. Kandidat und wissenschaftlicher Mitarbeiter in Bugbees Labor, konzentriert sich auf die Optimierung der Temperatur in verschiedenen Lebenszyklusphasen.

„Das ist ein mächtiges Werkzeug, und es wird sehr unterschätzt, weil es schwer zu studieren ist“, sagt Bugbee. „… Generell empfehlen wir, warm zu beginnen und am Ende des Lebenszyklus die Temperatur zu senken.“

Als leitender Wissenschaftler in einem vom USDA finanzierten Projekt untersucht Michael Gutensohn, außerordentlicher Professor der West Virginia University (WVU), Faktoren, die zu einem Anstieg sekundärer Metaboliten führen, darunter CBD, THC und Terpene. Basierend auf seinem Hintergrund als Biochemiker und Genetiker konzentriert sich seine Laborforschung auf die Biochemie dieser speziellen Metaboliten.

THC-Spitzen: Für Hanfanbaubetriebe ist die Einhaltung des bundesstaatlichen THC-Grenzwerts von 0,3 % von entscheidender Bedeutung, um ihre Pflanzen auf den Markt zu bringen. Gutensohns Team untersucht Faktoren, die THC-Spitzen auslösen, von Insekten bis hin zu Umweltbedingungen, um Anbauern dabei zu helfen, „heißen“ Hanf zu vermeiden.

Er schlägt vor, dass Pflanzen Strategien entwickelt haben, um als Reaktion auf Bedrohungen spezielle Metaboliten – Chemikalien – zu produzieren. „Einfach ausgedrückt kann man sagen, dass Chemikalien chemische Kriegsführung betreiben. Das klingt ein wenig drastisch, ist aber im Wesentlichen so“, erklärt er.

Gutensohns Labor untersucht, wie sich diese spezialisierten Metaboliten als Reaktion auf Umweltfaktoren und Stressbedingungen in streng kontrollierten Umgebungen ansammeln können.

„Eines der Dinge, die wir bereits herausgefunden haben, ist, dass bestimmte Arten von [Schädlingsproblemen] definitiv einen erhöhten Cannabinoidspiegel verursachen“, sagt er und weist darauf hin, dass Schädlingsbekämpfung von entscheidender Bedeutung ist. „Nicht nur, weil es möglicherweise Ihren Ertrag oder die Qualität Ihres Produkts einschränkt, sondern es könnte auch zu Spitzen im THC-Gehalt führen.“

Sein Labor untersucht auch, wie sich Wechselwirkungen zwischen Mykorrhizapilzen und Pflanzenwurzeln auf die Produktion oder Anreicherung von Cannabinoiden auswirken.

„Wir haben einige Hinweise darauf, dass diese Wechselwirkung die Anreicherung von Cannabinoiden beeinflusst“, sagt Gutensohn und weist darauf hin, dass die Verwendung oder übermäßige Verwendung von Düngemitteln auch Hot-Hanf auslösen kann. Er geht davon aus, den Landwirten in ein bis zwei Jahren konkrete Empfehlungen geben zu können.

Erweiterte Verwendungsmöglichkeiten für Hanf: Gutensohns Interessen reichen über die traditionelle Verwendung von Hanf hinaus und umfassen Bereiche wie Terpene als Biokraftstoffzusatz. „Mit Terpenen kann man ein Flugzeug fliegen“, sagt er. Er hofft, dass die WVU-Forschung es den Züchtern ermöglichen wird, Sorten für völlig neue Zwecke zu produzieren, die mit der klassischen Züchtung nicht erreichbar sind.

Ein mittelfristiges Ziel besteht darin, die zugrunde liegende Genetik des Prozesses zu verstehen, durch den Hanf Verbindungen wie Cannabinoide und Terpene bildet. Ein langfristiges Ziel besteht jedoch darin, zu verstehen, wie man die „Lichtschalter“ ein- oder ausschaltet. „Wir versuchen herauszufinden, wie das alles geregelt ist? Denn wenn man das versteht, kann man es ändern“, sagt Gutensohn.

Professor Sadanand Dhekney und sein Team an der University of Maryland Eastern Shore (UMES) arbeiten mit Sorten, die den gesetzlichen Anforderungen für Industriehanf entsprechen. Aber er äußert sich lautstark zu einer breiteren Anwendung ihrer Erkenntnisse.

„Botanisch gesehen sind Hanf und Marihuana dieselben Arten. So wie ich sie betrachte, handelt es sich um verschiedene Sorten oder Sorten der Cannabisgattung“, sagt er. „Aus diesem Grund ist jede Forschung, die wir mit Hanf betreiben, direkt auf Cannabis anwendbar.“

Genetik für die Cannabinoidproduktion: Die Identifizierung von Hanfgenetik, die ihr volles Potenzial an Cannabinoiden entfalten und bei der Ernte unter den bundesstaatlichen THC-Grenzwerten bleiben kann, ist eine Priorität für Landbewilligungsforscher und die von ihnen betreuten Erzeuger. Ein UMES-Feldversuch mit 50 Hanfsorten ergab nur vier, die beide Kriterien erfüllen konnten.

„Wenn man sich Hanf ansieht, sieht man eine große genetische Vielfalt. Aber was fehlt, sind Hanfsorten, die einen Gesamt-THC-Gehalt von weniger als 0,3 % haben“, sagt Dhekney. Der Balanceakt für Landwirte besteht darin, entweder früh zu ernten, wenn der CBD-Gehalt nicht optimal ist, oder das Risiko einzugehen, dass der Hanf bei voller Reife heiß wird.

Das WVU-Forschungsteam wird Eltern identifizieren, um neue Sorten zu entwickeln, die THC einschränken, aber das CBD-Potenzial voll entfalten. Dies geschieht in einem Prozess, der im Freien sechs bis sieben Jahre dauert – in Innenräumen die Hälfte davon.

Krankheiten bei Cannabis: Dhekney sagt, dass virale Krankheitserreger – Viren und Viroide – derzeit das größte Krankheitsproblem bei Cannabis darstellen. Da keine Bekämpfungsstrategien verfügbar sind, bleibt dem Züchter nur die Vernichtung infizierter Pflanzen.

Erschwerend kommt hinzu, dass virale Krankheitserreger möglicherweise über Generationen hinweg latent vorhanden sind. Symptome wie Wachstumshemmung, Blattkräuselung und geringe Trichomproduktion werden leicht fehldiagnostiziert. Darüber hinaus tragen Insektenüberträger wie Thripse und Blattläuse zur Ausbreitung von Krankheitserregern bei.

Da sich viele Erzeuger auf die Hopfen-Latent-Viroid-Krankheit (HpLVD) konzentrieren, betont Dhekney, dass bereits mehr als 15 verschiedene virale Krankheitserreger Cannabis infizieren und Probleme verursachen – die Erzeuger testen sie einfach noch nicht.

Das UMES-Team konzentriert sich auf Gewebekulturtechniken, um Pflanzen während der Mikrovermehrung vom Virus zu befreien und gesundes, krankheitsfreies Pflanzenmaterial für Züchter zu produzieren.

Optimierte Samenfeminisierung: Dhekney erklärt, dass die Samenfeminisierung bei Cannabis, einer Pflanze, die von Natur aus männliche und weibliche Blüten auf getrennten Pflanzen aufweist, die chemische Induktion männlicher Blüten neben weiblichen Blüten auf derselben Pflanze beinhaltet. Das führt zur Selbstbestäubung und damit zu feminisiertem Saatgut.

Wenn die chemischen Konzentrationen jedoch zu niedrig sind, kann die Feminisierung unvollständig sein. Ist der Wert hingegen zu hoch, ist das Saatgut nicht keimfähig. So oder so verlieren die Erzeuger.

Dhekneys Labor ermittelt optimale Parameter für die chemische Behandlung, um zuverlässiges, wirtschaftliches feminisiertes Saatgut zu erhalten. Er hofft, innerhalb von zwei Jahren Empfehlungen zu Zeitpunkt, Dauer und Konzentration der Sprays zu erhalten.

Unter der Leitung des Pflanzengenetikers und Züchters Larry Smart konzentriert sich das Hanfforschungsteam von Cornell auf die Identifizierung von Genen, die Schlüsselmerkmale steuern, die für die Hanfproduktion, Rentabilität und Erträge wichtig sind, und auf die Züchtung neuer Sorten für die Industrie.

Zeitpläne für die Cannabinoid-Produktion:Die Cornell-Forschung zu Zeitplänen der CBD- und THC-Produktion hat sich darauf konzentriert, optimale Zeitpunkte für Züchter zu ermitteln, um behördliche Tests im Hinblick auf die maximale CBD-Produktion und die Auswirkungen von Umweltstress während der Blüte durchzuführen.

Cannabinoide und Pflanzenstruktur: Wie die Cannabinoidproduktion mit der Gesamtform der Pflanze, der Pflanzenarchitektur und der Struktur des Blätterdachs zusammenhängt, ist ein weiterer Forschungsbereich. Feldversuche zeigen, dass die Cannabinoidverteilung von oben bis unten einer Pflanze je nach Architektur variiert.

Einige Sorten erzeugen einen Gradienten der CBD-Konzentration, d. h. sie ist oben an der Pflanze am höchsten und unten am niedrigsten, bei anderen Sorten ist dies jedoch nicht der Fall. „Das variiert definitiv je nach Sorte und hängt mit der Gesamtarchitektur der Pflanze zusammen“, sagt Smart.

Blütezeit und Krankheitsresistenz:Das Cornell-Team konnte ein einzelnes rezessives Gen kartieren, das für die automatische Blüte verantwortlich ist.

„Wir verfügen jetzt über molekulare Marker, mit denen wir dieses Gen in der Pflanze identifizieren können“, sagt Smart. „Wir können es jetzt tatsächlich in unserem Züchtungsprogramm nutzen, um gezielt Pflanzen auszuwählen, die automatisch blühen.“ Dies öffnet die Tür für neue Sorten, die auf unterschiedliche Breitengrade zugeschnitten sind.

Wie alle Forscher in dieser Forschungszusammenfassung ist Smart begeistert von der Arbeit mit Cannabis sativa und davon, von Züchtern zu hören, die von seiner Arbeit profitieren.

„Wenn wir dazu beitragen können, der Branche Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, die die Züchtung neuer Sorten beschleunigen und die Gesamtrentabilität der gesamten Branche verbessern, ist das meiner Meinung nach das Erfreulichste und Aufregendste, was wir tun können“, sagt er.

Jolene Hansen ist eine freiberufliche Autorin, die sich auf die Branchen Gartenbau, Spezialitätenlandwirtschaft und Cannabis spezialisiert hat. Erreichen Sie sie unter [email protected].

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