Cannabis-Pangenom zeigt Potenzial für medizinische und industrielle Nutzung

May 28, 2025

Cannabis-Pangenom zeigt Potenzial für medizinische und industrielle Nutzung

Mehrjährige Forschungskooperationen führen zum bislang umfassendsten genetischen Archiv der Cannabispflanze

May 28, 2025

LA JOLLA – Cannabis ist seit Jahrtausenden eine weltweit wichtige Nutzpflanze. Heute ist es vor allem als Marihuana wegen seines psychoaktiven Cannabinoids THC (Tetrahydrocannabinol) bekannt, doch historisch gesehen war Cannabis ein Eckpfeiler der menschlichen Zivilisation und lieferte seit über 10,000 Jahren Samenöl, Textilien und Nahrungsmittel. Heute ist Cannabis noch immer eine wenig erforschte und genutzte Ressource, doch die 2014 und 2018 verabschiedeten US-Gesetze haben die Entwicklung von Cannabispflanzen für medizinische Zwecke, Getreide und Fasern neu belebt.

Forscher des Salk Institute haben den bislang umfassendsten, hochwertigsten und detailliertesten genetischen Atlas von Cannabis erstellt. Das Team analysierte 193 verschiedene Cannabisgenome (komplette genetische Informationen) und enthüllte eine beispiellose Vielfalt, Komplexität und ungenutzte Möglichkeiten innerhalb dieser grundlegenden landwirtschaftlichen Pflanzenart. Dieser Meilenstein war das Ergebnis einer mehrjährigen Zusammenarbeit mit Oregon CBD, der Oregon State University und dem HudsonAlpha Institute of Biotechnology.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Natur am 28. Mai 2025, den Weg für bahnbrechende Fortschritte in der Cannabis-basierten Landwirtschaft, Medizin und Industrie ebnen.

„Cannabis ist eine der außergewöhnlichsten Pflanzen der Erde. Trotz seiner weltweiten Bedeutung als Quelle für Medizin, Nahrungsmittel, Samenöl und Ballaststoffe seit mindestens 10,000 Jahren ist es eine der am wenigsten entwickelten Nutzpflanzen der Neuzeit, was größtenteils auf ein Jahrhundert gesetzlicher Beschränkungen zurückzuführen ist“, sagt Todd Michael, leitender Autor der Studie und Forschungsprofessor am Salk College. „Unser Team hat durch die Analyse von fast 200 verschiedenen Cannabisgenomen die bisher umfassendste genetische Karte (das sogenannte Pangenom) der Pflanze erstellt. Dies zeigt, dass wir gerade erst beginnen, das volle Potenzial dieser erstaunlichen Pflanze zu erkennen. Dieselben rechtlichen Beschränkungen lösten eine Revolution in der Untergrundzucht aus und enthüllten das Potenzial von Cannabis als Chemiefabrik. Mit diesem neuen genomischen Bauplan können wir nun moderne Züchtung anwenden, um neue Verbindungen und Eigenschaften in Landwirtschaft, Medizin und Biotechnologie zu erschließen.“

 

Hintergrund: Cannabis als chemisches Kraftpaket

Cannabis sativa, auch Hanf genannt, ist eine in Asien heimische Blütenpflanze. Cannabis hat viele einzigartige Eigenschaften, die es im Laufe der Menschheitsgeschichte zu einer beliebten Nutzpflanze gemacht haben, wie etwa seine Fähigkeit, starke Fasern für Textilien zu produzieren, oder seine medizinischen Eigenschaften, die darauf zurückzuführen sind, dass es eine der wenigen Pflanzen ist, die große Mengen an Cannabinoiden produziert. Heutige Innovatoren vermuten, dass Cannabisöl mit der richtigen Züchtung mit Raps oder Sojabohnen konkurrieren könnte oder dass Cannabisderivate sogar als nachhaltige Alternative zu Düsentreibstoff eingesetzt werden könnten.

Cannabis ist ein chemisches Kraftpaket. Es kann mehr als 30 % seines Trockengewichts in Form von Terpenen und Cannabinoiden produzieren. Diese kleinen chemischen Stoffe werden von der Pflanze zum Schutz vor Fressfeinden produziert, vom Menschen jedoch zur Stimmungsaufhellung eingesetzt. Terpene erzeugen die köstlichen Aromen, die uns an Früchten und Blumen so anziehen, während Cannabinoide im menschlichen Körper zahlreiche therapeutische Eigenschaften entfalten. Ein Cannabinoid, das nicht-psychedelische Cannabidiol (CBD), erweiterte die öffentliche Wahrnehmung von Cannabis, als die Sorte „Charlotte’s Web“ zur Behandlung epileptischer Anfälle eingesetzt wurde. CBD, Tetrahydrocannabinol (THC) und über 100 weitere, kaum erforschte Cannabinoide werden zur Behandlung einer Vielzahl von Beschwerden eingesetzt, darunter Schmerzen, Arthritis, Übelkeit, Asthma, Depressionen und Angstzustände.

Wichtig ist, dass die Auswirkungen dieser selektiven Züchtung auf die genomische Vielfalt von Cannabis ein Rätsel geblieben sind. Die Lösung dieses Rätsels hat sich als schwierig erwiesen, da Cannabis ein kompliziertes Genom hat. Erstens gehört Cannabis zu den weniger als 5 % der Pflanzen, bei denen sich weibliche und männliche Geschlechter unterscheiden. Zweitens enthalten Cannabisgenome viele transponierbare Elemente, sich wiederholende DNA-Abschnitte, die im Genom „hin und her springen“ können und daher schwer zu verfolgen sind.

 

Wichtige Entdeckungen: Neue und überraschend vielfältige genetische Muster

Wissenschaftler nutzen die Sequenzierung, um die Muster von Nukleinsäuren zu bestimmen, die sich entlang der DNA-Doppelhelix zu Basenpaaren verbinden. Herkömmliche Short-Read-Sequenzierungsmethoden zerlegen die DNA, um sie Stück für Stück zu untersuchen, jeweils nur einige hundert Basenpaare. Neuere Long-Read-Sequenzierungstechniken erfassen Tausende von Basenpaaren auf einmal.

„Die Entdeckungsmöglichkeiten von Short-Read-Sequenzierungstechnologien sind begrenzt, da sich diese kurzen Genabschnitte bei der Betrachtung komplexer Genombereiche, insbesondere repetitiver DNA-Sequenzen, nicht sinnvoll zusammenfügen lassen“, sagt Co-Erstautorin Lillian Padgitt-Cobb, Postdoktorandin in Michaels Labor. „Wir gehören zu den Ersten, die diese Long-Read-Technologie im großen Maßstab im Pangenom-Kontext nutzen. Damit gewinnen wir Einblicke in strukturelle Variationen und die Genanordnung, die letztendlich Entscheidungen über die Züchtung günstiger Eigenschaften in Cannabispflanzen beeinflussen können.“

Die Studie ist nicht die erste, die Langsequenzierung nutzt – tatsächlich war Michael selbst der erste Forscher, der 2018 mithilfe von Langsequenzierung ein Genom von Cannabis auf Chromosomenebene erstellte. Dies enthüllte die komplexe genetische Architektur, in der Cannabinoide synthetisiert werden, und erklärte die Züchtungsgeschichte des Antiepileptikums Charlotte’s Web. Was diese neue Studie auszeichnet, ist ihre Vollständigkeit. Sie enthält die bisher umfangreichsten Genome und ist die erste, die Geschlechtschromosomen berücksichtigt und damit verbunden die erste, die eine Haplotypauflösung ermöglicht.

Cannabis ist ein diploide Pflanze. Das bedeutet, dass es, wie der Mensch, zwei Chromosomensätze besitzt, einen von einer männlichen Pflanze und den anderen von einer weiblichen Pflanze. Während die meisten bisher veröffentlichten Genome nur ein Chromosom entschlüsseln konnten, auch als Haplotyp-Auflösung bekannt, löste das Team beide Cannabis-Chromosomensätze. Durch die Untersuchung beider Chromosomensätze entdeckten die Forscher eine beispiellose genetische Variation – möglicherweise bis zu 20-mal so groß wie beim Menschen.

„Mit dieser Haplotypauflösung“, erklärt Padgitt-Cobb, „können wir untersuchen, was von nur einer der Elternpflanzen geerbt wurde, und beginnen, die Züchtung und den Hintergrund dieser Pflanze zu verstehen.“

Für die Studie sammelte das Team Genome von 144 verschiedenen Cannabispflanzen aus aller Welt und stellte insgesamt 193 Genome zusammen – 181 davon waren noch nie zuvor katalogisiert worden. Aufgrund dieser Haplotyp-Auflösung ist das Gesamtgenom größer als das Pflanzengenom, da jede Pflanze mit beiden untersuchten Chromosomensätzen zwei Genom-Assemblies produzierte. Zusammen bilden diese vielen Genome das Pangenom, das analysiert wurde, um das volle Ausmaß der genetischen Vielfalt innerhalb der Cannabisart zu verstehen.

Die hohe Qualität der gesammelten Genome ermöglichte es den Forschern, bisher unbekannte genetische Muster aufzudecken, darunter die Architektur der für die Cannabinoidsynthese verantwortlichen Gene, und durch die Einbeziehung der Geschlechtschromosomen einen ersten Blick auf die Y-Chromosomen von Cannabis zu werfen.

Ihre erste Entdeckung war, dass es innerhalb der Art eine unerwartete Vielfalt gibt. Im gesamten Pangenom wurden 23 % der Gene in jedem Genom gefunden, 55 % waren fast universell (in 95–99 % der Genome zu sehen), 21 % lagen zwischen 5 % und 94 % der Genome und weniger als 1 % waren völlig einzigartig. Zu den universellsten Genen gehörten jene, die Cannabinoide produzieren.

Während Cannabinoid-Gene über Genome hinweg konsistent waren, war dies bei Genen, die mit Fettsäurestoffwechsel, Wachstum und Abwehr zusammenhängen, nicht der Fall. Diese variablen Gene stellen einen ungenutzten Zuchtpool dar, und ihre selektive Züchtung könnte Cannabis auch im Feld robuster machen oder den Nährstoffgehalt von Hanföl verbessern, um es zu einem Konkurrenten gegenüber bestehenden Samenölen zu machen. Insbesondere entdeckte das Forschungsteam, dass strukturelle Variationen im Fettsäure-Biosyntheseweg zur Produktion von Tetrahydrocannabivarin (THCV) beitragen, einem seltenen Cannabinoid vom Varin-Typ, das aufgrund seiner nicht-psychoaktiven, energetisierenden Wirkung Aufmerksamkeit erregt.

Bei genauerer Betrachtung der Cannabinoid-Gene im gesamten Pangenom kamen die Forscher zu dem Schluss, dass zwei Gene, THCAS und CBDAS, wahrscheinlich einem starken Selektionsdruck durch die vom Menschen gesteuerte Züchtung auf THC- und CBD-Gehalt ausgesetzt sind. Besonders wichtig war die Entdeckung, dass Cannabinoid-Gene in transponierbaren Elementen lokalisiert sind. Die selektive Züchtung von Genen innerhalb dieser „springenden“ transponierbaren Elemente hat wiederum zu einer immensen Vielfalt unter den Cannabispflanzen geführt.

 

Blick in die Zukunft: Pflanzen für Gesundheit und Industrie optimieren

Die Forscher identifizierten auch interessante Ansatzpunkte für die landwirtschaftliche Optimierung. Zunächst untersuchten sie die Unterschiede zwischen europäischen und asiatischen Genomen und kamen zu dem Schluss, dass es wahrscheinlich irgendwo in Asien einen alten Cannabisverwandten gibt, der nur darauf wartet, entdeckt zu werden. Dieser wilde Verwandte dürfte aufgrund seiner einzigartigen Umweltgeschichte neuartige genetische Anpassungen aufweisen und bietet daher eine Fülle von Informationen für die Züchtung widerstandsfähigerer Cannabispflanzen.

Schließlich ergaben die neuen Erkenntnisse über Geschlechtschromosomen, dass es Gene gibt einzige In „Vaterpflanzen“ sind Gene vorhanden, die zur Züchtung leistungsstärkerer Nachkommen verwendet werden können. Die moderne Marihuana-Züchtung nutzt die „Feminisierung“, bei der Landwirte eine weibliche Pflanze dazu bringen, männliche Blüten zu bilden – unter vollständiger Umgehung des Y-Chromosoms. Diese neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass in Züchtungsprogrammen möglicherweise wertvolle genetische Vielfalt und das in diesen umgangenen männlichen Genomen kodierte Merkmalspotenzial übersehen werden. Die Einbeziehung rein männlicher Pflanzen in Züchtungsstrategien könnte bisher ungenutzte genetische Vorteile freisetzen und die Möglichkeiten zur Verbesserung der Nutzpflanzen erweitern.

„In den letzten zehn Jahren haben Züchter bereits gute Arbeit geleistet, die Erträge zu steigern und Cannabis zu einer wirtschaftlich rentablen Nutzpflanze zu machen“, sagt Co-Erstautor Ryan Lynch, Postdoktorand in Michaels Labor. „Sobald das Marktinteresse da ist und die neuen Erkenntnisse über das Cannabisgenom die Züchtungsbemühungen leiten können, sehe ich einen wahren Boom für Hanf und Hanföle sowohl im Bereich der Humanmedizin als auch in der Industrie.“

Kurzfristig hofft das Team, dass das Pangenom Forschern auf der ganzen Welt als dynamische Ressource dienen wird, auf der sie aufbauen und die sie für die Entwicklung von Anbaustrategien nutzen können. So kann das ungenutzte Potenzial von Cannabis als wertvolle Mehrzweckpflanze, die für die Gewinnung von Fasern, Samenöl und Medikamenten angebaut wird, ausgeschöpft werden.

 

Mehr zu diesem Papier

Weitere Autoren sind Nolan Hartwick, Nicholas Allsing, Anthony Aylward, Allen Mamerto, Justine Kitony, Kelly Colt, Emily Murray, Tiffany Duong, Heidi Chen von Salk; Andrea Garfinkel, Aaron Trippe und Seth Crawford von Oregon CBD; Brian Knaus und Kelly Vining von der Oregon State University; sowie Philip Bentz, Sarah Carey und Alex Harkess vom HudsonAlpha Institute for Biotechnology.

Die Arbeit wurde vom Tang Genomics Fund, der National Science Foundation (NSF-IOS PRFB 2209290, IOS-PGRP CAREER 2236530), der Bill and Melinda Gates Foundation (INV-040541) und dem US-Landwirtschaftsministerium (USDA NIFA 2022-67012-38987, USDA NIFA 2023-67013-39620) unterstützt.

DOI: 10.1038/s41586-025-09065-0