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

In de wereld van plantenveredeling is het doel vaak om nakomelingen te creëren die de allerbeste eigenschappen van hun ouders dragen, waarbij de kracht van de één wordt gecombineerd met de smaak van de ander. Voor de meeste gewassen is dit een rechttoecten recht proces van het nemen van stuifmeel van een mannelijke plant en het plaatsen ervan op de vrouwelijke bloem van een gekozen partner. Echter, de cannabisplant vormt een uniek biologisch raadsel. De plant is dioecisch, wat betekent dat individuele planten duidelijk mannelijk of vrouwelijk zijn, en het commerciële product — de bloem — is uitsluitend te vinden op de vrouwelijke plant. In een commerciële setting is de aanwezigheid van zelfs maar één mannelijke plant een ramp, omdat het stuifmeel de vrouwtjes zal bevruchten, waardoor ze zaden produceren in plaats van de dichte, zaadloze bloemen die worden geoogst. Deze strikte scheiding maakt traditionele veredeling moeilijk, aangezien wetenschappers niet gemakkelijk twee elite vrouwelijke planten kunnen kruisen om een nieuwe, verbeterde variëteit te creëren zonder mannelijke genetica te introduceren of het risico op ongewenste zaden te lopen.

Om dit op te lossen, hebben onderzoekers lang gezocht naar een manier om het geslacht van een vrouwelijke plant tijdelijk te veranderen, door de plant te overtuigen stuifmeel te produceren zonder de genetische code aan te passen. Dit proces berust op een chemische behandeling die de natuurlijke hormoonsignalen van de plant onderbreekt, specifiek door een hormoon genaamd ethyleen te blokkeren dat essentieel is voor de ontwikkeling van vrouwelijke bloemen. Wanneer dit signaal op het juiste moment wordt uitgeschakeld, schakelt het voortplantingssysteem van de plant van koers en begint de plant mannelijke bloemen te groeien in plaats van vrouwelijke. Hoewel het concept al enige tijd bekend is, was de praktische toepassing inconsistent, waarbij veel pogingen er niet in slaagden voldoende levensvatbaar stuifmeel te produceren of resulteerden in planten die te gestrest waren om goed te functioneren. De uitdaging was om een laboratoriumtruc om te vormen tot een betrouwbare, industriële methode voor het produceren van "gefeminiseerde" zaden — zaden die genetisch vrouwelijk zijn, maar afkomstig zijn van een kruising tussen twee vrouwelijke ouders.

Een team van onderzoekers bij Agriculture Victoria heeft deze kloof nu gedicht door een volledig, stapsgewijs systeem te ontwikkelen voor de productie van deze zaden. Hun werk gaat verder dan eenvoudige chemische toepassing en creëert een volledige workflow, van de initiële groei van de planten tot de uiteindelijke oogst van de zaden. Het proces begint met het nemen van stekjes van een enkele, hoogwaardige vrouwelijke plant en het kweken hiervan in een gecontroleerde omgeving. De onderzoekers beheren de vorm van deze planten zorgvuldig, waarbij ze de planten snoeien om een specifieke vertakkingsstructuur te stimuleren die ervoor zorgt dat de chemische spray elk deel van het bladerdak kan bereiken. Deze voorbereiding is cruciaal, aangezien de planten robuust genoeg moeten zijn om de behandeling te weerstaan en tegelijkertijd toegankelijk moeten blijven voor het delicate werk dat volgt.

Zodra de planten klaar zijn, brengt het team een oplossing van zilvertiosulfaat aan, een chemisch mengsel dat de geslachtswissel triggert. Dit is geen eenmalige gebeurtenis, maar een aanhoudende campagne. De planten worden drie keer per week besproeid gedurende meerdere weken, beginnend zodra de bloemen beginnen te vormen. De timing is cruciaal; de spray moet in het donker of onder gedimd licht worden aangebracht, omdat de chemische stof snel afbreekt bij blootstelling aan fel licht. Naarmate de weken verstrijken, ondergaan de vrouwelijke bloemen op de behandelde planten een zichtbare transformatie. In plaats van de plakkerige, haarachtige structuren te ontwikkelen die worden gebruikt om stuifmeel te vangen, zwellen de bloemen op en beginnen ze kleine, ronde zakjes te vormen die stuifmeel bevatten. Deze zakjes, die anders uitzien dan die van een natuurlijk mannelijke plant, worden uiteindelijk geel en barsten open, waarbij een wolk van levensvatbaar stuifmeel vrijkomt.

De onderzoekers ontdekten dat om voldoende stuifmeel te krijgen voor een succesvol verbreedingsprogramma, ze de planten herhaaldelijk moesten besproeien over een periode van drie tot vier weken. Ze oogstten het stuifmeel door de zakjes voorzichtig te plukken en ze door fijne zeven te schudden om de korrels van het plantmateriaal te scheiden. Dit stuifmeel werd vervolgens in een vriezer bewaard om het in leven te houden totdat het nodig was. De volgende fase bestond uit het handmatig met een fijn penseel aanbrengen van deze bewaarde korrels op de stempels van andere vrouwelijke planten die niet waren behandeld. Deze ontvangende planten werden parallel gekweekt, waarbij de timing zo werd afgestemd dat hun bloemen klaar waren om stuifmeel te ontvangen op het moment dat de donorplanten het produceerden. Door het stuifmeel met een fijn penseel direct aan te brengen, zorgde het team ervoor dat de kruisbestuiving precies was en dat er geen ongewenste contaminatie optooide.

De resultaten van deze methode waren aanzienlijk. Van slechts drie ontvangende planten die met deze techniek waren bestoven, oogstte het team ongeveer 3.000 zaden. Deze opbrengst toont aan dat de methode niet alleen wetenschappelijk onderbouwd is, maar ook praktisch bruikbaar voor het produceren van de grote hoeveelheden zaden die nodig zijn voor verbreedingsprogramma's. De geproduceerde zaden waren allemaal vrouwelijk, wat bevestigt dat het genetisch materiaal volledig afkomstig is van de twee vrouwelijke ouders. De onderzoekers merkten op dat hoewel de behandelde donorplanten tekenen van stress vertoonden, zoals verkleurende bladeren, dit een normaal onderdeel van het proces was en de succesvolle vorming van stuifmeel niet verhinderde. Sterker nog, de stress was een teken dat de chemische behandeling effectief werkte om de vrouwelijke voortplantingsorganen te onderdrukken en de energie van de plant te heroriënteren naar de creatie van mannelijke structuren.

Deze studie vormt een belangrijke stap vooruit voor de cannabisindustrie door een betrouwbaar kader te bieden voor het creëren van elite hybride variëteiten. Voordat dit werk werd uitgevoerd, worstelden kwekers vaak met de onvoorspelbaarheid van geslachtsomkering of het gebrek aan een gestandaardiseerde methode om zaden in bulk te produceren. Het nieuwe protocol biedt een duidelijk pad voor het genereren van genetisch uniforme zaden, die gedurende lange perioden kunnen worden bewaard en gebruikt kunnen worden om planten te kweken die identiek zijn aan hun ouders. Dit is een groot voordeel ten opzichte van de huidige industriestandaard van het klonen van planten via stekjes, wat arbeidsintensief is en een hoger risico op ziekten met zich meebrengt. Door het mogelijk te maken om zaden te produceren van twee geselecteerde vrouwelijke planten, stelt de methode kwekers in staat om gewenste eigenschappen vast te leggen en nieuwe hybriden met grotere precisie te creëren. Het werk suggereert dat met dit instrument het potentieel voor wetenschappelijke veredeling van cannabis eindelijk wordt ontsloten, waardoor het gewas verschuift van een staat van handmatige propagatie naar een geavanceerder, op zaad gebaseerd agrarisch systeem.