Die Cannabis-Pflanze versorgt den Menschen seit Jahrtausenden mit einer breiten Palette von Ressourcen. Von Kleidung und Nahrung über Medizin bis hin zu Wohlbefinden erweitert sich die Liste der Anwendungen mit dem Fortschritt der Technologie.
Stellen die Gene und die DNA der Cannabis-Pflanze möglicherweise Schlüsselinformationen bereit, um zu verstehen, warum diese Pflanze so viele Vorteile bietet? Die Ergründung der grundlegenden Struktur des Genoms und der Vergleich mit anderen Organismen enthüllen faszinierende Einzelheiten.
In diesem Beitrag begeben wir uns auf eine Entdeckungsreise durch das Cannabis-Genom und versuchen, die genetischen Grundlagen hinter dem vielfältigen Nutzen dieser Pflanze zu entschlüsseln.
Zunächst geben wir aber einen Überblick über die Begriffe, die wir in diesem Text nutzen werden, und erklären diese auch.
| Begriff | Erklärung |
| Cannabis-Genom | Das “Cannabis-Genom” ist die Gesamtheit der genetischen Informationen der Cannabis-Pflanze, einschließlich DNA, Genen und nicht-codierenden Regionen. |
| DNA | Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist das Molekül, das genetische Anweisungen in Form von vier Basen (A, C, G, T) enthält und verschiedene Funktionen erfüllt, einschließlich der Bildung von Genen. |
| Gene | Gene sind DNA-Segmente, die spezifische Funktionen haben und gemeinsam Proteine codieren. |
| Nicht-codierende Regionen | Nicht-codierende Regionen der DNA kommen nicht bei der Protein-Codierung zum Einsatz, können jedoch regulatorische oder strukturelle Funktionen haben. |
| Genotyp | Der Genotyp repräsentiert alle genetischen Informationen eines Organismus. |
| Phänotyp | Den Phänotyp machen die äußeren Erscheinungsformen aus, die durch die Wechselwirkung von Genotyp und Umwelt bestimmt werden. |
| Chemotyp | Der Chemotyp beschreibt die chemischen Verbindungen, die eine Pflanze produziert, und spiegelt die Biochemie durch Genotyp und Umwelt wider. |
| Kultivar | Ein Kultivar ist eine kultivierte Sorte, die durch selektive Züchtung bestimmte Eigenschaften aufweist, wie Farbe, Größe oder Cannabinoidprofil. |
| Locus | Ein Locus ist der konkrete Ort auf einem Chromosom, an dem sich ein Gen oder eine andere bedeutende DNA-Sequenz befindet. |
Komplexität und Größe des Hanf-Genoms
Verglichen mit dem menschlichen Genom, das etwa 3 Milliarden Basenpaare umfasst, ist das Cannabis-Genom mit etwa 830 Millionen Basenpaaren etwas kleiner. Das erleichtert wesentlich die Sequenzierung (Prozess, bei dem die exakte Reihenfolge der Bausteine in einem DNA- oder RNA-Molekül bestimmt wird) und verringert sowohl den Zeit- als auch den Kostenaufwand.
Kleinere Genome benötigen weniger Ressourcen für die Assemblierung und Analyse, was besonders für Branchen wichtig ist, die genomische Informationen für Züchtung, Biotechnologie und Forschung nutzen.
Die geringere Komplexität ermöglicht somit schnellere und kostengünstigere Identifikation genetischer Merkmale. Dies hat praktische Auswirkungen auf die Sortenverbesserung, Krankheitsresistenz und das Verständnis der genetischen Grundlagen der Cannabinoidproduktion.
Die Komplexität eines Genoms umfasst nicht nur die Länge oder Anzahl der Gene, sondern auch Mutationsraten und genetische Vielfalt.
Entschlüsselung des Cannabis-Genoms: Die Bedeutung der Bioinformatik
Bioinformatik ist die Anwendung von computergestützten und mathematischen Tools, um komplexe Datensätze, einschließlich des gesamten Genoms, effizient zu verarbeiten und zu verstehen. In der Cannabis-Genomik spielt die Bioinformatik eine Schlüsselrolle, indem sie die notwendigen computergestützten Werkzeuge für das Management und die Analyse der großen Mengen an durch Sequenzdaten generierten Informationen bereitstellt.
Beim Sequenzieren des Cannabis sativa-Genoms stehen Wissenschaftler vor der Herausforderung, Millionen kurzer DNA-Sequenzen in die richtige Reihenfolge zu bringen, um ein kohärentes Bild des gesamten Genoms zu erhalten.
Bioinformatik bietet Algorithmen und Software zur Assemblierung dieser Sequenzen, zur Identifikation von Genen und zur Vorhersage ihrer Funktionen. Weiterhin ermöglicht sie den Vergleich von Cannabis-DNA mit anderen Arten, was Einblicke in evolutionäre Beziehungen und die Funktion spezifischer Gene liefert.
Durch die Identifizierung von diversen genetischen Markern können Forscher Veränderungen in der DNA mit Merkmalen wie Cannabinoidprofilen, Krankheitsresistenz oder Ertrag in Verbindung bringen.
Besonders wichtig ist dies für die markerassistierte Selektion in Zuchtprogrammen zur Entwicklung spezifischer Sorten.
Mit der Entwicklung des regulatorischen Umfelds für die Cannabisforschung und dem Rückgang der Kosten für die DNA-Analyse könnte eine Fülle von genomischen Daten für Cannabis bevorstehen. Die effiziente Verarbeitung dieser Daten durch Bioinformatik wird dabei entscheidend sein, um Erkenntnisse zu gewinnen und das medizinische und wirtschaftliche Potenzial dieser Pflanze zu maximieren.
Die Schlüsselrolle der genetischen Vielfalt für Züchtung und Anbau
Genetische Vielfalt bezieht sich auf die Gesamtanzahl genetischer Merkmale innerhalb einer gesamten Art. Bei Cannabis betrifft dies alle drei Unterarten von Cannabis: Indica, Ruderalis und Sativa.
Es handelt sich um die Variation in der genetischen Zusammensetzung der Individuen innerhalb einer Population, die den Genpool ausmacht. Diese Vielfalt ermöglicht es Populationen, sich an veränderte Umgebungen anzupassen, Krankheiten zu widerstehen und insgesamt gesund zu bleiben.
Der Genpool ist die Gesamtheit der einzigartigen Allele in einer Art oder Population. Ein Allel ist eine Version eines Gens, daher gibt es beispielsweise beim Menschen verschiedene Allele für die Augenfarbe.
Die Unterscheidung zwischen zwei verschiedenen Genen und zwei Varianten des gleichen Gens hängt weitgehend von ihrer chromosomalen Position ab, die als Locus bekannt ist. Allele sind verschiedene Versionen eines Gens an einem bestimmten Locus.
Cannabis weist, wie viele andere Pflanzen auch, eine erhebliche genetische Vielfalt auf, weshalb es so viele verschiedene Sorten mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt.
Ein Wissenschaftler-Team von der University of Toronto unter Leitung von Jon Page und Tim Hughes erklärte in der Studie “The draft genome and transcriptome of Cannabis sativa”, dass das Genom der Marihuana-Sorte “Purple Kush” rund 30.000 Gene umfasst, die aus insgesamt rund 530 Millionen Bausteinen bestehen.
Züchtung oder Gentechnik?
Cannabis gilt als eine der ersten Pflanzenarten, die von der Menschheit kultiviert wurden. Der Anbau reicht sogar in die Jungsteinzeit zurück: Im Nordwesten Chinas, heutige Region Xibei, wurden Hanfpflanzen noch vor 12.000 Jahren angebaut.
Die Studie “Large-scale whole-genome resequencing unravels the domestication history of Cannabis sativa” unter Leitung der Universität Lausanne belegt anhand von Daten, die dem Cannabis-Genom entnommenen wurden, dass der Mensch noch vor 4.000 Jahren damit begann, Hanf gezielt zu züchten.
Auf die gezielte Züchtung der Hanf-Pflanze deuten die entsprechenden Mutationen hin, die z. B. das Wachstum von Ästen verhinderten, die Harzproduktion beförderten oder etwa für die Bildung längerer Fasern sorgten.
In der Landwirtschaft, einschließlich des Hanfanbaus, ist die Züchtung, also die gezielte Beeinflussung genetischer Eigenschaften, weit verbreitet. Im Fall von Hanf bezieht sich dies auf herkömmliche Methoden wie das Erzeugen von Stecklingen von Mutterpflanzen, was als “Klonen” bezeichnet wird.
Im Gegensatz dazu umfasst Gentechnik technologische Eingriffe in die DNA-Sequenzen, was bei Hanf aufgrund der Kosten und der Unnötigkeit, die gewünschten Eigenschaften zu erreichen, nicht praktiziert wird. Daher kann von genetischer Manipulation im eigentlichen Sinne oder von “gentechnisch verändertem Gras” keine Rede sein.
Die jüngste Entschlüsselung des Hanf-Genoms durch Wissenschaftler hat allerdings die Möglichkeit genetischer Manipulationen eröffnet. Dies verdeutlicht die Relevanz der Legalisierung von Cannabis, damit Verbraucher die Wahl haben, ob sie diese konsumieren möchten oder nicht.
Die Daten des Hanf-Genoms liegen allerdings noch nicht in einer klaren Form vor, die sofortige genetische Manipulation ermöglichen würde.
Cannabis-Chemie: THC, CBD und die Synthese weiterer Verbindungen
Cannabis sativa birgt einzigartige genetische Informationen, die eng mit der Produktion von Cannabinoiden verbunden sind – den Wirkstoffen, die für die medizinischen und psychoaktiven Eigenschaften der Pflanze verantwortlich sind. Dazu zählen THC (Tetrahydrocannabinol) und CBD (Cannabidiol).
Diese komplexen Prozesse setzen mehrere Schlüsselenzyme und genetische Komponenten ein, die gemeinsam grundlegende Bausteine in aktive Verbindungen umwandeln. Die Biosynthese von Cannabinoiden beginnt mit Olivetolsäure als Vorläufermolekül, das sich mit Geranylpyrophosphat verbindet, um Cannabigerolsäure (CBGA) zu bilden, die als “Mutter” Cannabinoid dient und Vorläufer von THC, CBD und CBG ist.
Spezifische Enzyme, sogenannte Synthasen, wandeln CBGA dann in die Hauptcannabinoid-Säuren um:
- Tetrahydrocannabinolsäure (THCA, die zu THC führt).
- Cannabidiolsäure (CBDA, die zu CBD führt) und
- Cannabichromensäure (CBCA).
Durch Erhitzung werden diese Säuren decarboxyliert, um ihre aktiven Formen zu erhalten.
Die Gene, die diese Synthasen codieren, wurden identifiziert und charakterisiert, und sie werden hauptsächlich in den Trichomen der Cannabispflanze exprimiert, wo die Cannabinoidsynthese stattfindet.
Die Expression dieser Gene wird durch die genetische Ausstattung und die Umgebung der Pflanze beeinflusst, was die Variation im Cannabinoidgehalt zwischen verschiedenen Sorten und sogar individuellen Pflanzen erklärt.
Zusätzlich zu den Hauptcannabinoiden tragen verschiedene Enzyme zur Bildung von Nebenverbindungen wie Flavonoiden, Sterolen und Terpenoiden bei, die Cannabis seine vielfältigen Wirkungs- und Aromaprofile verleihen.
Die genetische Steuerung dieser Prozesse ist Gegenstand intensiver Forschung und hat Auswirkungen auf die therapeutische Anwendung von Cannabis sowie auf die legale Cannabisindustrie.
Fortschritte in genomischen und biotechnologischen Methoden ermöglichen die Entwicklung von Cannabissorten mit spezifischen Cannabinoidprofilen, die an medizinische Bedürfnisse oder Verbraucherpräferenzen angepasst sind.
Die gebräuchlichsten Cannabinoide sind chemische Verbindungen, die natürlicherweise in der Cannabispflanze vorkommen und für ihre vielfältigen Wirkungen auf den menschlichen Körper bekannt sind.
Hier sind einige der wichtigsten Cannabinoide:
| Cannabinoid | Eigenschaften/Wirkungen |
| Tetrahydrocannabinol (THC) | Bekannt für psychoaktive Effekte; bindet an Rezeptoren im Gehirn und löst das sogenannte “High” aus. |
| Cannabidiol (CBD) | Hat keine psychoaktiven Wirkungen. Geschätzt für potenzielle medizinische Anwendungen, einschließlich entzündungshemmender und angstlösender Eigenschaften. |
| Cannabigerol (CBG) | Vorläufer für andere Cannabinoide. Hat entzündungshemmende Eigenschaften und wird für potenzielle therapeutische Anwendungen erforscht. |
| Cannabichromen (CBC) | Keine psychoaktiven Wirkungen, dafür aber vielversprechende entzündungshemmende und schmerzlindernde Eigenschaften. |
| Cannabinol (CBN) | Entsteht durch die Oxidation von THC und hat milde psychoaktive Wirkungen. Wird häufig mit beruhigenden Eigenschaften in Verbindung gebracht. |
| Tetrahydrocannabivarin (THCV) | Ähnliche Strukturen wie THC. Wird erforscht für mögliche Rolle bei der Gewichtsreduktion und dem Appetitmanagement. |
| Cannabidivarin (CBDV) | Ähnlich wie CBD, aber mit kürzerer Seitenkette. Wird erforscht für potenzielle antiepileptische Wirkung. |
| Cannabicyclol (CBL) | Entsteht durch Oxidation von CBC. Es ist wenig bekannt über die spezifischen Wirkungen. |
| CBCV (Cannabichromevarin) | Wird aus Cannabigerovarin (CBGV) synthetisiert und gehört zur Familie der Phytocannabinoide. Forscher sind am potenziellen Nutzen bei Epilepsie und als Antikonvulsivum interessiert. |
Diese Cannabinoide interagieren mit dem Endocannabinoid-System des Körpers, das eine entscheidende Rolle bei der Regulation verschiedener physiologischer Prozesse spielt. Die spezifische Zusammensetzung und Konzentration dieser Cannabinoide variieren je nach Cannabisstamm und können unterschiedliche Effekte auf den Nutzer haben.
Mehr als 120 verschiedene Cannabinoiden wurden inzwischen in der Hanfpflanze nachgewiesen, doch nur wenige davon sind bisher erforscht.
Fazit: Cannabis-Genetik als Schlüssel zur Sortenentwicklung
Im Vergleich zu gezielt gezüchteten Pflanzen wie Mais, die auf Ertrag und Krankheitsresistenz ausgerichtet sind, wurde Cannabis historisch mehr auf Merkmale wie Cannabinoidprofile und Anpassung an verschiedene Klimazonen fokussiert.
Obwohl das Cannabis-Genom im Vergleich zu menschlichen Genomen und anderen Pflanzen weniger komplex ist, beherbergt es einzigartige genetische Merkmale. Diese wurden sowohl durch natürliche Variation als auch durch menschliche Kultivierung geformt.
Das Verständnis dieses Genoms trägt nicht nur zur Entwicklung spezifischer Sorten für medizinische oder Freizeitanwendungen bei, sondern gibt auch Einblicke in die Biologie und Evolution von Pflanzen.
Forschungen zu den individuellen Wirkungen und therapeutischen Potenzialen dieser Cannabinoide sind noch im Gange, und es besteht weiterhin großes Interesse an ihrer vielfältigen Anwendung in Medizin und Wellness.
