Cannabis: Neusequenzierung des gesamten Genoms

Wieviele “Cannabissorten” gibt es eigentlich? Und: Kann man diese Frage überhaupt so stellen? Wieviele Chromosomen hat das Cannabis-Genom? Wie kam es zu der relativ großen Vielfalt innerhalb der Cannabis-Familie heute und wie steht es mit dem Faserhanf? Diesen wichtigen Fragen sind Forscher aus China, der Schweiz und den USA auf den Grund gegangen.

Domestikation von Cannabis

kommerzieller-faserhanf
Kommerzieller-Faserhanf

Cannabis sativa ist seit langem eine wichtige Quelle für Ballaststoffe, die aus Hanf gewonnen werden, und sowohl für Arznei- als auch für Freizeitdrogen, die auf Cannabinoidverbindungen basieren. Hier untersuchten wir seine wenig bekannte Domestikationsgeschichte mit der Neusequenzierung des gesamten Genoms von 110 Akzessionen von weltweitem Ursprung. Wir zeigen, dass Cannabis sativa erstmals in der frühen Jungsteinzeit in Ostasien domestiziert wurde und dass alle aktuellen Hanf- und Drogensorten von einem angestammten Genpool abwichen, der derzeit in China durch wilde Pflanzen und Landrassen repräsentiert wird. Wir identifizierten Kandidatengene, die mit Merkmalen verbunden sind, die Hanf- und Drogensorten differenzieren, einschließlich Verzweigungsmuster und Zellulose/Lignin-Biosynthese. Wir fanden auch Beweise für den Funktionsverlust von Genen, die an der Synthese der beiden wichtigsten biochemisch konkurrierenden Cannabinoide während der Selektion auf erhöhte Faserhanfproduktion oder psychoaktive Eigenschaften beteiligt sind. Unsere Ergebnisse bieten einen einzigartigen globalen Überblick über die Domestikation von Cannabis sativa und bieten wertvolle genomische Ressourcen für die laufende funktionelle und molekulare Züchtungsforschung.

Was sind Lignine?Was ist Cellulose?AkzessionGenotyping-by-SequencingWas bedeutet 'diploid'?

Der allgemeine Begriff Lignin beschreibte große Gruppe aromatischer Polymere, die als Ergebnis der oxidativen Kupplung von 4-Hydroxyphenylpropanoiden aufgebaut sind. Sie sind organische Polymere, die als strukturelle Verbindungen in Gefäßpflanzen und einigen Algen vorliegen. In Gefäßpflanzen ist Lignin eine wichtige strukturelle Verbindung während der sekundären Verdickung und Bildung der sekundären Zellwand. Dies verleiht der Rinde und dem Holz des Stiels Steifheit und verleiht dem Zerfallwiderstand Schutz, indem Zellwandpolysaccharide vor mikrobiellem Abbau geschützt werden.

Lignin spielt eine wichtige Rolle beim Durchleiten von Wasser in Gefäßpflanzenstängeln. Polysaccharidpolymere wie Cellulose, die in der Pflanzenzellwand vorhanden sind, sind aufgrund ihrer hydrophilen Natur wasserdurchlässig. Aufgrund seiner aromatischen Natur ist Lignin hydrophober und stellt ein Hindernis für die Absorption von Wasser in die Zellwand dar, indem es Querverbindungen zwischen Polysacchariden bildet. Dies bietet einen effizienten Weg für vaskuläres Gewebe der Pflanze, um Wasser ohne Hindernisse zu leiten

Cellulose ist ein Polymer aus β-Glukose und ist das am häufigsten vorkommende organische Molekül der Erde. Zellulose kommt hauptsächlich in Pflanzen vor und 40% der Pflanzenzellwand besteht aus Zellulose. Es ist in verschiedenen Schichten in der Pflanzenzellwand angeordnet, unterschieden in Primär- und Sekundärwände. Die Struktur von Cellulose besteht aus linearen β-Glucoseketten, die durch β-1-4-glyosidische Bindungen miteinander verbunden sind. Die Anwesenheit von Hydroxylgruppen (-OH), die aus jeder Kette in alle Richtungen herausragen, erhöht die Verbindung zwischen benachbarten β-Glucoseketten. Durch diese Vernetzung steigt die Zugfestigkeit der Zellulosestruktur. Diese hohe Zugfestigkeit verhindert, dass die Zelle platzt, wenn Wasser durch Osmose in die Zelle eindringt. Die Form der Zelle wird gemäß der Anordnung der Zellulosebündel bestimmt

Hier in diesem Zusammenhang zu verstehen als Neuzugang · Beitritt · Erwerbung · Zugang. Als Erweiterung des Cannabis-Genoms.

Hauptziel für Biologen ist es, den Zusammenhang zwischen Genen und phänotypischen Merkmalen zu verstehen, und die genetische Kartierung in experimentellen Populationen bleibt ein leistungsfähiger Ansatz zur Entdeckung der kausalen Gene, die Phänotypen zugrunde liegen.

Für die genetische Kartierung war der Prozess der Genotypisierung bisher ein wichtiger geschwindigkeitsbegrenzender Schritt. Moderne Sequenzierungstechnologie hat die Auflösung und Geschwindigkeit der genetischen Kartierung erheblich verbessert, indem sie die Zeit, arbeit und Kosten pro Genotypisierungsmarker reduziert hat.

Von Diploidie (altgriechisch ‚Doppelheit‘) wird in der Genetik gesprochen, wenn in einem Zellkern ein zweifacher Chromosomensatz (2n) vorliegt (siehe weiter unten). Dessen Zahl an Chromosomen ist doppelt so groß wie die eines einfachen Chromosomensatzes (1n). Zellen mit solchen Zellkernen sind diploid. Die Bezeichnung wird auch für Lebewesen verwendet, die überwiegend aus solchen Zellen bestehen. Liegt nur ein einfacher Chromosomensatz vor, wird dies als haploid bezeichnet. In manchen Lebewesen kommen auch andere Ploidiegrade vor, etwa triploid (3n) oder tetraploid

Cannabis: Kommerziallisierung einer Freizeitdroge

Cannabinoide
Cannabis Sativa
Faserhanf

Nur wenige Pflanzen standen so im Fokus der Kontroversen wie Cannabis sativa. Als eine der ersten domestizierten Pflanzen hat sie eine lange und wechselvolle Geschichte, die mit der wirtschaftlichen, sozialen und kulturellen Entwicklung menschlicher Gesellschaften verwoben ist. Einst eine wichtige Quelle für Textilien, Nahrungsmittel und Ölsaaten wie Hanf, ging die Nutzung zu diesem Zweck im 20. Jahrhundert zurück, während sich die Verwendung als Freizeitdroge (d. h. Marihuana, das in vielen Ländern illegal ist) ausgeweitet hat. Obwohl in der Vergangenheit viel diskutiert wurde, wird derzeit allgemein akzeptiert, dass die Gattung Cannabis eine einzige Art umfasst, Cannabis sativa L., im Folgenden auch als Cannabis bezeichnet. Die Pflanze ist einjährig, windbestäubt und überwiegend zweihäusig. Es ist diploid, hat 10 Chromosomenpaare (2n = 20) und zeichnet sich durch ein XY/XX-chromosomales geschlechtsbestimmendes System mit einer Genomgröße von etwa 830 Mb aus. Aufgrund von Verbreitungs- und archäobotanischen Daten wurde oft ein weites Gebiet von Westasien über Zentralasien bis Nordchina als Ursprung des Anbaus der Pflanze vorgeschlagen. Wobei ihre spätere weltweite Verbreitung mit kontinuierlicher künstlicher Selektion und extensiver Hybridisierung zwischen lokal angepassten, traditionellen Landrassen und modernen kommerzielle Sorten konkurierten. Die heimliche Drogenzüchtung und die Neigung heimischer Pflanzen, verwildert zu werden (und sich möglicherweise mit ihren wilden Vorfahren zu vermischen) haben zu den Schwierigkeiten bei der Rekonstruktion der Domestikationsgeschichte der Art beigetragen In jüngster Zeit ist das therapeutische Potenzial von Cannabis angesichts seiner einzigartigen chemischen Komponenten erneut weltweit ins Interesse gerückt.

Phänotypen der Cannabinoiden

Trichome der Cannabispflanze
Trichome der Cannabispflanze

Cannabishanf und Drogenarten unterscheiden sich auch in ihrer relativen Ausbeute an Cannabidiolsäure (CBDA) und Δ9-Tetrahydrocannabinolsäure (THCA), den beiden am häufigsten vorkommenden und untersuchten von mindestens 100 einzigartigen sekundären Metaboliten, die als Cannabinoide bekannt sind. Nach der Decarboxylierung binden ihre bioaktiven Formen (das bekannte CBD und das psychoaktive THC) an Endocannabinoid-Rezeptoren im zentralen Nervensystem eines Probanten, was ein breites Spektrum von Wirkungen hervorruft, von denen einige Symptome neurologische Störungen lindern können. Hanf, der für Ballaststoffe angebaut wird, produziert typischerweise höhere CBDA-Konzentrationen als THCA, während Marihuana sehr hohe Mengen an THCA und viel höhere Gesamtkonzentrationen an Cannabinoiden enthält. Hybridsorten mit hohem CBDA-Gehalt werden derzeit für den medizinischen Gebrauch entwickelt. Hanf und Marihuana erhielten daher separate gesetzliche Definitionen, entweder basierend auf einem Schwellenwert der THC-Konzentration (z. B. 0,3 % Trockengewicht in der Europäischen Union und den Vereinigten Staaten) oder basierend auf ihrem chemischen Phänotyp oder Chemotyp (dh hoch, niedrig, oder ein mittleres Verhältnis von THCA zu CBDA), das Pflanzen charakterisiert, die überwiegend THCA, überwiegend CBDA oder beide Cannabinoide in ungefähr äquivalenten Verhältnissen enthalten. Trotz des zunehmenden Bedarfs an Sorten mit spezifischen Cannabinoidprofilen für die therapeutische und Freizeitnutzung und der jüngsten wichtigen Beiträge zu unserem Verständnis der strukturellen und funktionellen Divergenz sowie der Vererbung ihrer zugrunde liegenden Synthase-Gene, sind die Mechanismen, die die Evolution vermitteln dieser Gene sind noch nicht genau bekannt.

Große genomische Differenz

Trotz seiner uralten Verwendung, die Tausende von Jahren zurückreicht, wurde die genomische Geschichte der Domestikation von Cannabis im Vergleich zu anderen wichtigen Nutzpflanzenarten vor allem aufgrund gesetzlicher Beschränkungen zu wenig erforscht. Jüngste genomische Untersuchungen, die Genotyping-by-Sequencing bei meist westlichen kommerziellen Sorten anwendeten, zeigten eine deutliche genomweite Differenzierung zwischen Hanf- und Drogenarten, ein Ergebnis, das auch durch anonyme kurze Tandem-Wiederholungsmarker gezeigt wird. Angesichts der großen Lücken in unserem Wissen über die Evolutionsgeschichte der Domestikation von Cannabis, erfordert eine umfassende Rekonstruktion der für letztere verantwortlichen Ereignisse. Jedoch einen groß angelegten Vergleich von Genomdaten, die den gesamten Endverbrauch und das geografische Spektrum abdecken, fehlt derzeit noch. Auf der Grundlage eines beispiellosen weltweiten Beprobungsaufwands, bieten wir hier einen solchen Rahmen, indem wir 110 ganze Genome zusammenstellen, die das gesamte Spektrum wildwachsender Wildpflanzen, Landrassen, historischer Sorten und moderner Hybriden aus Hanf- und Drogenarten mit besonderem Fokus abdecken. Und das in Bezug auf Zentral- und Ostasien, wegen ihrer hypothetischen Bedeutung für den Ursprung der Domestikation der Art.

Ich habe diesen, zugegebener Maßen sehr spezifischen Beitrag veröffentlich, um zu zeigen, auf welchem Niveau die Forschung rund um das Cannabis-Genom inzwischen arbeitet. Hanf, auch Faserhanf steigt in seiner Bedeutung für den Menschen. Hanf ist einer der nachhaltigsten Rohstoffe mit unglaublich vielfältigen Anwendungsbereichen. Solche Forschungen zeigen, dass wir auf dem Weg sind, dem Hanf wieder die Stellung im Bereich schnell nachwachsender Rohstoffe zu geben, die ihm gebührt.

Quelle: sciencemag.org

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