From Staminate Flower Induction to Seed Harvest: Feminised Seed Production in Cannabis sativa

In der Welt der Pflanzenzüchtung besteht das Ziel oft darin, Nachkommen zu erschaffen, die die allerbesten Eigenschaften ihrer Eltern tragen, indem die Stärke des einen mit dem Aroma des anderen kombiniert wird. Für die meisten Nutzpflanzen ist dies ein unkomplizierter Prozess, bei dem Pollen einer männlichen Pflanze entnommen und auf die weibliche Blüte eines gewählten Partners übertragen wird. Die Cannabispflanze stellt jedoch ein einzigartiges biologisches Rätsel dar. Sie ist diözisch, was bedeutet, dass es sich bei den einzelnen Pflanzen deutlich als männlich oder weiblich unterscheiden, und das kommerzielle Produkt – die Blüte – findet sich nur an der weiblichen Pflanze. In einem kommerziellen Umfeld ist das Vorhandensein auch nur einer einzigen männlichen Pflanze eine Katastrophe, da ihr Pollen die weiblichen Pflanzen befruchtet, was dazu führt, dass diese statt der dichten, samenlosen Blüten, die geerntet werden, Samen produzieren. Diese strikte Trennung macht die traditionelle Züchtung schwierig, da Wissenschaftler nicht einfach zwei elite Weibchen kreuzen können, um eine neue, verbesserte Sorte zu erschaffen, ohne männliche Genetik einzuführen oder das Risiko unerwünschter Samen einzugehen.

Um dieses Problem zu lösen, suchten Forscher schon lange nach einem Weg, das Geschlecht einer weiblichen Pflanze vorübergehend zu ändern, um sie dazu zu bewegen, Pollen zu produzieren, ohne ihren genetischen Code zu verändern. Dieser Prozess beruht auf einer chemischen Behandlung, die die natürlichen Hormonsignale der Pflanze unterbricht, indem sie spezifisch ein Hormon namens Ethylen blockiert, das für die Entwicklung weiblicher Blüten essenziell ist. Wenn dieses Signal zum richtigen Zeitpunkt verstummt, stellt das Fortpflanzungssystem der Pflanze den Betrieb um, und sie beginnt, männliche Blüten anstelle von weiblichen zu entwickeln. Während das Konzept seit einiger Zeit bekannt ist, war die praktische Anwendung bisher inkonsistent, da viele Versuche scheiterten, ausreichend lebensfähigen Pollen zu produzieren, oder dazu führten, dass die Pflanzen zu gestresst waren, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Die Herausforderung bestand darin, einen Labortrick in eine zuverlässige, industrielle Methode zur Herstellung von „feminierten“ Samen zu verwandeln – Samen, die genetisch weiblich sind, aber aus einer Kreuzung zwischen zwei weiblichen Eltern stammen.

Ein Forschungsteam der Agriculture Victoria hat diese Lücke nun geschlossen, indem es ein vollständiges, schrittweises System zur Produktion dieser Samen entwickelt hat. Ihre Arbeit geht über die bloße Anwendung von Chemikalien hinaus und schafft einen vollständigen Arbeitsablauf, vom anfänglichen Wachstum der Pflanzen bis zur endgültigen Ernte der Samen. Der Prozess beginnt damit, Stecklinge von einer einzigen, hochwertigen weiblichen Pflanze zu nehmen und diese in einer kontrollierten Umgebung aufzuziehen. Die Forscher steuern sorgfältig die Form dieser Pflanzen und beschneiden sie, um eine spezifische Verzweigungsstruktur zu fördern, die sicherstellt, dass die chemische Sprühung jeden Teil des Blätterdachs erreichen kann. Diese Vorbereitung ist entscheidend, da die Pflanzen robust genug sein müssen, um die Behandlung zu überstehen, während sie gleichzeitig zugänglich für die anschließende präzise Arbeit bleiben.

Soblich die Pflanzen bereit sind, wendet das Team eine Lösung aus Silberthioosulfat an, eine chemische Mischung, die den Geschlechtswechsel auslöst. Dies ist kein einmaliges Ereignis, sondern eine anhaltende Kampagne. Die Pflanzen werden mehrmals pro Woche über mehrere Wochen hinweg besprüht, beginnend genau in dem Moment, in dem die Blüten zu bilden beginnen. Das Timing ist kritisch; die Sprühung muss im Dunkeln oder bei gedimmtem Licht erfolgen, da die Chemikalie bei Kontakt mit hellem Licht schnell zerfällt. Im Laufe der Wochen durchlaufen die weiblichen Blüten der behandelten Pflanzen eine sichtbare Transformation. Anstatt die klebrigen, haarähnlichen Strukturen zu entwickeln, die zur Aufnahme von Pollen dienen, schwellen die Blüten an und beginnen, kleine, runde Säcke zu bilden, die Pollen enthalten. Diese Säcke, die anders aussehen als die auf einer natürlich männlichen Pflanze, färben sich schließlich gelb und platzen auf, wobei sie eine Wolke aus lebensfähigem Pollen freisetzen.

Die Forscher fanden heraus, dass sie die Pflanzen wiederholt über einen Zeitraum von drei bis vier Wochen besprühen mussten, um genug Pollen für ein erfolgreiches Zuchtprogramm zu erhalten. Sie ernteten den Pollen, indem sie die Säcke vorsichtig aufnahmen und durch feine Siebe schüttelten, um die Körner vom Pflanzenmaterial zu trennen. Dieser Pollen wurde dann in einem Gefrierschrank gelagert, um ihn am Leben zu erhalten, bis er benötigt wurde. Die nächste Phase bestand darin, diese gelagerten Körner manustrierend mit einem feinen Pinsel auf die Narben anderer weiblicher Pflanzen aufzutragen, die nicht behandelt worden waren. Diese Empfängerpflanzen wurden parallel gezüchtet, wobei das Timing so abgestimmt war, dass ihre Blüten bereit waren, den Pollen zu empfangen, genau in dem Moment, als die Spenderpflanzen ihren Pollen produzierten. Durch das Auftragen des Pollens mit einem feinen Pinsel stellte das Team sicher, dass die Kreuzbestäubung präzise erfolgte und keine unerwünschte Kontamination auftrat.

Die Ergebnisse dieser Methode waren beträchtlich. Aus nur drei Empfängerpflanzen, die mit dieser Technik bestäubt wurden, erntete das Team etwa 3.000 Samen. Dieser Ertrag zeigt, dass die Methode nicht nur wissenschaftlich fundiert, sondern auch praktisch für die Produktion der großen Mengen an Samen ist, die für Zuchtprogramme benötigt werden. Die produzierten Samen waren alle weiblich, was bestätigt, dass das genetische Material vollständig von den zwei weiblichen Eltern stammte. Die Forscher merkten an, dass die behandelten Spenderpflanzen Anzeichen von Stress zeigten, wie etwa gelbe Blätter, dies jedoch ein normaler Teil des Prozesses war und die erfolgreiche Bildung von Pollen nicht verhinderte. Tatsächlich war der Stress ein Zeichen dafür, dass die chemische Behandlung effektiv arbeitete, um die weiblichen Fortpflanzungsorgane zu unterdrücken und die Energie der Pflanze auf die Bildung männlicher Strukturen umzuleiten.

Diese Studie markiert einen bedeutenden Fortschritt für die Cannabisindustrie, indem sie einen zuverlässigen Rahmen für die Erstellung elitärer Hybridvarietäten bietet. Vor dieser Arbeit hatten Züchter oft mit der Unvorhersehbarkeit der Geschlechtsumkehr oder dem Mangel an einer standardisierten Methode zur Massenproduktion von Samen zu kämpfen. Das neue Protokoll bietet einen klaren Weg zur Generierung genetisch einheitlicher Samen, die über lange Zeiträume gelagert werden können und genutzt werden können, um Pflanzen zu züchten, die identisch mit ihren Eltern sind. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber dem aktuellen Industriestandard des Klonens von Pflanzen aus Stecklingen, was arbeitsintensiv ist und ein höheres Krankheitsrisiko birgt. Durch die Ermöglichung der Erzeugung von Samen aus zwei ausgewählten weiblichen Pflanzen erlaubt die Methode den Züchtern, erwünschte Eigenschaften zu fixieren und neue Hybriden mit größerer Präzision zu erschaffen. Die Arbeit legt nahe, dass mit diesem Werkzeug das Potenzial für die wissenschaftliche Züchtung von Cannabis endlich freigesetzt wird, wodurch die Kultur von einer manuellen Vermehrung zu einem fortschrittlicheren, samenbasierten landwirtschaftlichen System übergeht.