Cannabis-Pangenom enthüllt Potenzial für medizinische und industrielle Nutzung

28. Mai 2025

Cannabis-Pangenom enthüllt Potenzial für medizinische und industrielle Nutzung

Kollaborativer, mehrjähriger Forschungsaufwand liefert bisher umfassendstes genetisches Archiv der Cannabispflanze

28. Mai 2025

LA JOLLA – Cannabis ist seit Jahrtausenden eine weltweit wichtige Nutzpflanze. Während es heute am bekanntesten als Marihuana wegen seines psychoaktiven Cannabinoids THC (Tetrahydrocannabinol) ist, war Cannabis historisch gesehen mehr als 10.000 Jahre lang ein Eckpfeiler der menschlichen Zivilisation und lieferte Samenöl, Textilien und Nahrung. Heute ist Cannabis nach wie vor eine untererforschte und untergenutzte Ressource, aber die 2014 und 2018 in den USA erlassenen Gesetze haben die Entwicklung von Cannabis für medizinische Zwecke, als Getreide und für Fasern neu belebt.

Forscher des Salk Institute haben den bisher umfassendsten, qualitativ hochwertigsten und detailliertesten Genatlas von Cannabis erstellt. Das Team analysierte 193 verschiedene Cannabingenome (vollständige Sätze genetischer Informationen), was eine beispiellose Vielfalt, Komplexität und ungenutzte Möglichkeiten innerhalb dieser grundlegenden landwirtschaftlichen Nutzpflanze aufzeigt. Diese historische Leistung 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 ebnet sich der Weg für transformative Fortschritte in der Cannabis-basierten Landwirtschaft, Medizin und Industrie.

“Cannabis ist eine der außergewöhnlichsten Pflanzen der Erde. Trotz seiner globalen Bedeutung als Quelle für Medizin, Nahrung, Ölsaaten und Fasern seit mindestens 10.000 Jahren, bleibt es eine der am wenigsten entwickelten Nutzpflanzen der modernen Zeit, was zu einem großen Teil auf ein Jahrhundert rechtlicher Einschränkungen zurückzuführen ist”, sagt Todd Michael, leitender Autor der Studie und Professor am Salk Institute. “Unser Team hat mit der Analyse von fast 200 verschiedenen Cannabispflanzen die bisher vollständigste genetische Karte, oder das Genom der Pflanze, erstellt und zeigt, dass wir gerade erst beginnen, das volle Potenzial dieser erstaunlichen Pflanze zu erkennen. Dieselben rechtlichen Beschränkungen haben eine illegale Züchtungsrevolution ausgelöst und das Potenzial von Cannabis als chemische Fabrik aufgezeigt. Mit dieser neuen genomischen Blaupause können wir nun moderne Züchtungsmethoden anwenden, um neuartige Verbindungen und Eigenschaften in den Bereichen Landwirtschaft, Medizin und Biotechnologie zu erschließen.”

 

Hintergrund: Cannabis als chemisches Kraftwerk

Cannabis sativa, auch bekannt als Hanf, ist eine blühende Pflanze, die ursprünglich aus Asien stammt. Cannabis hat viele einzigartige Merkmale, die es im Laufe der Menschheitsgeschichte zu einer bedeutenden Kulturpflanze gemacht haben, wie seine Fähigkeit, starke Fasern für Textilien herzustellen, oder seine medizinischen Qualitäten, die sich daraus ergeben, dass es eine der wenigen Pflanzen ist, die große Mengen an Cannabinoiden produzieren. Innovatoren von heute schlagen vor, dass Cannabisöl mit der richtigen Züchtung mit Raps- oder Sojaöl konkurrieren könnte, oder dass Cannabinderivate sogar als nachhaltige Alternative zu Düsentreibstoff verwendet werden könnten.

Cannabis ist ein chemisches Kraftwerk. Es kann mehr als 30% seines Trockengewichts als Terpene und Cannabinoide produzieren, kleine Chemikalien, die die Pflanze zur Abwehr von Fressfeinden herstellt, die der Mensch jedoch zur Stimmungsaufhellung nutzt. Terpene erzeugen die exquisiten Aromen, die uns zu Früchten und Blumen locken, während Cannabinoide mit dem menschlichen Körper interagieren, um viele therapeutische Eigenschaften zu bieten. Ein Cannabinoid, das nicht-psychoaktive Cannabidiol (CBD), erweiterte die öffentliche Sicht auf Cannabis, als der Stamm “Charlotte's Web” zur Behandlung von epileptischen Anfällen eingesetzt wurde. CBD, Tetrahydrocannabinol (THC) und mehr als 100 weitere schlecht untersuchte Cannabinoide wurden 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. Dieses Rätsel zu lösen hat sich als schwierig erwiesen, da Cannabis ein kompliziertes Genom hat. Erstens gehört Cannabis zu den weniger als 5% der Pflanzen, die getrennte weibliche und männliche Geschlechter auf unterschiedlichen Pflanzen haben. Zweitens enthalten Cannabinoide Genome viele transponierbare Elemente, bei denen es sich um wiederholte DNA-Abschnitte handelt, die im Genom “springen” können und somit schwer zu verfolgen sind.

 

Schlüsselerkenntnisse: Neue und überraschend vielfältige genetische Muster

Wissenschaftler nutzen eine Technologie namens Sequenzierung, um die Muster von Nukleinsäuren zu bestimmen, die sich über die Doppelhelix der DNA verbinden und Basenpaare entlang der DNA-Stränge bilden. Traditionelle Kurzlese-Sequenzierungsmethoden zerlegen die DNA, um sie Stück für Stück zu untersuchen, nur wenige hundert Basenpaare auf einmal. Neuere Langlese-Sequenzierungstechniken können erfassen Tausende von Basenpaaren gleichzeitig.

“Es gibt Grenzen für das, was man mit Kurzlese-Sequenzierungstechnologien entdecken kann, da diese kurzen genetischen Auszüge in komplexen Regionen des Genoms, insbesondere bei repetitiven DNA-Sequenzen, nicht sinnvoll zusammengefügt werden können”, sagt die Co-Erstautorin Lillian Padgitt-Cobb, Postdoktorandin in Michaels Labor. “Wir gehören zu den Ersten, die diese Langlese-Technologie im großen Stil im Pangénom-Kontext nutzen, und damit ergeben sich all diese Einblicke in strukturelle Variationen und Genreihenfolgen, die die endgültigen Entscheidungen über die Züchtung günstiger Merkmale in Cannabispflanzen beeinflussen können.”

Die Studie ist nicht die erste, die Long-Read-Sequenzierung verwendet – tatsächlich war Michael selbst 2018 der erste Forscher, der mithilfe von Long-Read-Sequenzierung ein Genom von Cannabis auf Chromosomenebene erzeugte, was eine komplexe genetische Architektur enthüllte, in der Cannabinoide synthetisiert werden, und die Züchtungsgeschichte hinter dem antiepileptischen Charlotte’s Web erklärte. Worin sich diese neue Studie unterscheidet, ist ihre Vollständigkeit. Sie enthält bisher die meisten Genome und ist die erste, die Geschlechtschromosomen und damit verbunden die erste mit Haplotyp-Auflösung enthält.

Cannabis ist ein diploid . Dies bedeutet, dass sie wie in Menschen zwei Chromosomensätze enthält, von denen ein Satz von einer männlichen Pflanze und der andere von einer weiblichen Pflanze stammt. Während die meisten bisher veröffentlichten Genome nur ein Chromosom entschlüsseln konnten, was auch als Haplotypenauflösung bekannt ist, hat das Team dies gelöst beide bestände von Cannabischromosomen. Durch die Betrachtung beider Chromosomensätze enthüllten die Forscher eine beispiellose genetische Vielfalt – möglicherweise bis zum 20-fachen der menschlichen.

“Mit dieser Haplotypenauflösung”, erklärt Padgitt-Cobb, “können wir sehen, was von nur einer der Elternpflanzen vererbt wurde, und beginnen, die Züchtung und den Hintergrund dieser Pflanze zu verstehen.”

Die Studie des Teams sammelte Genome von 144 verschiedenen Cannabispflanzen aus aller Welt, um insgesamt 193 Genome zu erstellen – 181 davon waren noch nie zuvor katalogisiert worden. Die Gesamtzahl der Genome ist größer als die der Pflanzen, was auf die Haplotiplösung zurückzuführen ist, da jede Pflanze, bei der beide Chromosomensätze untersucht wurden, zwei Genom-Assemblierungen ergab. Zusammen bilden diese vielen Genome das Pangenom, das analysiert wurde, um das volle Ausmaß der genetischen Vielfalt innerhalb der Cannabisspezies zu verstehen.

Die hohe Qualität der gesammelten Genome ermöglichte es den Forschern, bisher ungesehene genetische Muster zu entschlüsseln, einschließlich der Architektur von Genen, die für die Cannabinoidsynthese verantwortlich sind, und durch die Einbeziehung von Geschlechtschromosomen einen ersten Blick auf Cannabis-Y-Chromosomen zu werfen.

Ihre erste Entdeckung war, dass es eine unerwartete Vielfalt innerhalb der Art gibt. Über das Pangenom hinweg wurden 23% Gene in jedem Genom gefunden, 55% waren fast universell (in 95%bis 99% der Genome zu sehen), 21% lagen zwischen 5% und 94% der Genome, und weniger als 1% waren gänzlich einzigartig. Einige der universellsten Gene waren jene, die Cannabinoide produzieren.

Während Cannabinoid-Gene über die Genome hinweg konsistent waren, waren Gene im Zusammenhang mit Fettsäurestoffwechsel, Wachstum und Verteidigung nicht konsistent. Diese variablen Gene sind ein ungenutzter Zuchtpool, und ihre selektive Züchtung könnte Cannabis auch robuster im Feld machen oder den Nährstoffgehalt von Hanföl verbessern, um es zu einem Konkurrenten unter den bestehenden Saatölen zu machen. Bemerkenswerterweise entdeckte das Forschungsteam, dass strukturelle Variationen im Fettsäurebiosyntheseweg zur Produktion von Tetrahydrocannabivarin (THCV) beitragen, einem seltenen Cannabinoid vom Varin-Typ, das aufgrund seiner nicht-psychoaktiven, energetisierenden Wirkung an Aufmerksamkeit gewinnt.

Bei genauerer Betrachtung der Cannabinoid-Gene im gesamten Pangenom kamen die Forscher zu dem Schluss, dass zwei Gene, THCAS und CBDAS, wahrscheinlich unter starkem Selektionsdruck durch die vom Menschen gesteuerte Züchtung auf THC- und CBD-Gehalt stehen. Wichtig ist, dass sie feststellten, dass Cannabinoid-Gene in transponierbaren Elementen lokalisiert sind. Die selektive Züchtung von Genen innerhalb dieser “springenden” transponierbaren Elemente hat wiederum eine immense Vielfalt bei Cannabis-Pflanzen geschaffen.

 

Vorausschauend: Pflanzenoptimierung für Gesundheit und Industrie

Die Forscher identifizierten auch interessante Ziele für die landwirtschaftliche Optimierung. Erstens, indem sie die Unterschiede zwischen europäischen und asiatischen Genomen betrachteten, kamen sie zu dem Schluss, dass es irgendwo in Asien eine alte Cannabis-Verwandte gibt, die darauf wartet, entdeckt zu werden. Diese wilde Verwandte wird neue genetische Anpassungen aufweisen, die mit ihrer einzigartigen Umwelthistorie zusammenhängen, was sie zu einer Fundgrube für die Züchtung von widerstandsfähigeren Cannabis-Pflanzen macht.

Schließlich enthüllte die neuartige Erkenntnis über die Geschlechtschromosomen, dass es Gene gibt nur väterlichen“ Pflanzen, die zur Züchtung leistungsfähigerer Nachkommen verwendet werden können. Die moderne Marihuana-Züchtung nutzt die ”Feminisierung“, bei der Landwirte eine weibliche Pflanze dazu bringen, männliche Blüten zu entwickeln – der Y-Chromosom wird dabei vollständig umgangen. Diese neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Zuchtprogramme wertvolle genetische Vielfalt und Merkmalspotenzial, die in diesen umgangenen männlichen Genomen kodiert sind, möglicherweise übersehen. Die Einbeziehung echter männlicher Pflanzen in Zuchtstrategien könnte übersehene genetische Gewinne erschließen und die Möglichkeiten zur Verbesserung von Nutzpflanzen erweitern.

“In den letzten 10 Jahren haben Züchter gute Arbeit geleistet, um die Erträge zu steigern und Cannabis zu einer wirtschaftlich rentablen Kulturpflanze zu machen”, sagt Ryan Lynch, einer der Erstautoren und Postdoktorand in Michaels Labor. “Sobald es ein Marktinteresse gibt, gepaart mit diesen neuen Erkenntnissen über Cannabisgenome, die die Züchtungsbemühungen leiten können, kann ich mir vorstellen, dass Hanf und Hanföle sowohl im Bereich der menschlichen Gesundheit als auch in industriellen Anwendungen wirklich boomen werden.”

Kurzfristig hofft das Team, dass das Pangenom als dynamische Ressource für Forscher weltweit dienen wird, auf der sie aufbauen und die sie zur Information von Anbaustrategien nutzen können. Dies wird dazu beitragen, das ungenutzte Potenzial von Cannabis als wertvolle Mehrzweckkultur für Fasern, Saatöl und Medizin zu erschließen.

 

Mehr über dieses Papier

Weitere Autoren sind Nolan Hartwick, Nicholas Allsing, Anthony Aylward, Allen Mamerto, Justine Kitony, Kelly Colt, Emily Murray, Tiffany Duong, Heidi Chen vom Salk Institute; Andrea Garfinkel, Aaron Trippe und Seth Crawford von Oregon CBD; Brian Knaus und Kelly Vining von der Oregon State University; und 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