Mexx Holweg

Medicinale cannabis (Cannabis sativa) is een waardevol gewas dat gekenmerkt wordt door gespecialiseerde metabolieten, met name cannabinoïden en terpenoïden, die voornamelijk voorkomen in vrouwelijke bloeiwijzen. In gecontroleerde teeltomgevingen is het optimaliseren van lichtintensiteit, spectrale samenstelling en luchttemperatuur essentieel om zowel de opbrengst van bloeiwijzen als van gespecialiseerde metabolieten te verhogen. Deze factoren beïnvloeden de vorming van adventieve wortels, plantmorfologie en de accumulatie van metabolieten gedurende verschillende ontwikkelingsfasen. Dit onderzoek richt zich op de fysiologische mechanismen achter de productie van bloeiwijzen en gespecialiseerde metabolieten door middel van morfologische, metabole en fotosynthetische metingen.

Hoofdstuk 1 introduceert de taxonomie, chemotypen en gespecialiseerde metabolieten van medicinale cannabis en koppelt morfologische kenmerken en fytochemische diversiteit aan teeltstrategieën. Vervolgens worden teeltsystemen en gewasfasen besproken, van de teelt van moederplanten en de vermeerdering via apicale stekken tot de uiteindelijke oogst, met de nadruk op de vegetatieve en generatieve fasen. De rol van fotobiologie wordt onderzocht, met specifieke aandacht voor hoe lichtintensiteit en -spectrum de vorming van adventieve wortels, plantengroei, fotosynthese en de accumulatie van gespecialiseerde metabolieten beïnvloeden. Ten slotte presenteert dit hoofdstuk de algemene onderzoeksdoelstellingen en de opzet van het proefschrift, waarbij fotobiologie als centraal thema wordt gepositioneerd om efficiënte teeltmethoden te ontwikkelen voor een hogere opbrengst van bloeiwijzen en gespecialiseerde metabolieten.

Hoofdstuk 2 onderzoekt hoe de leeftijd van de moederplant en de lichtintensiteit tijdens zowel de moederplantcultivatie als de vermeerdering de morfologie en beworteling van apicale stekken beïnvloeden. Twee genotypen werden gedurende zes maanden gekweekt onder een lagere (400 µmol m-2 s-1) of hogere (800 µmol m-2 s-1) lichtintensiteit. De stekken werden vervolgens beworteld onder drie verschillende lichtintensiteiten (50, 150 en 250 µmol m-2 s-1). De leeftijd van de moederplant had geen invloed op het percentage bewortelde stekken of de worteldroge massa. Een hogere lichtintensiteit tijdens de moederplantcultivatie leidde tot de accumulatie van zetmeel en suikers aan de basis van de stek. Hoewel werd verwacht dat deze opslag van koolhydraten de beworteling zou verbeteren, verminderde deze in één genotype en had het geen effect in het andere genotype. De auxineconcentraties in de top en de stambasis werden grotendeels niet beïnvloed door de leeftijd van de moederplant of de lichtintensiteit. Ondertussen verhoogde een hogere lichtintensiteit tijdens de vermeerdering de worteldroge massa zonder het percentage bewortelde stekken te beïnvloeden.

Hoofdstuk 3 onderzoekt de invloed van luchttemperatuur en lichtintensiteit op de opbrengst van bloeiwijzen en gespecialiseerde metabolieten tijdens de korte-dagfase (bloei), met speciale aandacht voor de uitdaging om een uniforme opbrengst en metabolietverdeling tussen de bovenste en onderste bloeiwijzen te behouden. Twee genotypen werden gekweekt onder een lagere (25/21 °C) of hogere (31/27 °C) temperatuur, gecombineerd met lichtintensiteiten van 600, 900 en 1200 µmol m-2 s-1. Een hogere luchttemperatuur verlaagde de totale cannabinoïdenconcentraties als gevolg van de vorming van abnormale bloeiwijzen bovenop oudere structuren. Dit verbeterde de uniformiteit van gespecialiseerde metabolietconcentraties tussen de bovenste en onderste bloeiwijzen, aangezien de lagere bloeiwijzen consequent lagere concentraties vertoonden. Bovendien verminderde een hogere luchttemperatuur de bloeiwijze-opbrengst in één genotype, terwijl deze bij het andere genotype onaangetast bleef. In beide genotypen verhoogde een hogere lichtintensiteit de opbrengst van bloeiwijzen lineair zonder de concentratie van gespecialiseerde metabolieten te beïnvloeden, wat resulteerde in een hogere metabolietopbrengst per vierkante meter. De bladfotosynthese nam af tegen het einde van de korte-dagfase, waarschijnlijk door bladveroudering, wat de vraag oproept of het verlagen van de lichtintensiteit in de latere bloeistadia de opbrengst zou kunnen behouden terwijl het energieverbruik wordt verminderd. Deze bevindingen benadrukken het belang van een lage luchttemperatuur in combinatie met een hoge lichtintensiteit om zowel de opbrengst van bloeiwijzen als van gespecialiseerde metabolieten te maximaliseren.

Hoofdstuk 4 richt zich op hoe de spectrale samenstelling samenwerkt met lichtintensiteit om de opbrengst van bloeiwijzen en gespecialiseerde metabolieten te beïnvloeden. Planten werden gekweekt onder lichtintensiteiten van 600 en 1200 µmol m-2 s-1 met verschillende spectrale verdelingen, variërend in rode golflengtepiek (640 nm en 660 nm), de rood-blauwverhouding, het groene lichtaandeel en de algemene breedte van het spectrum. Het verdelen van het rode licht tussen 640 en 660 nm in plaats van alleen 660 nm verhoogde de droge biomassa en de bloeiwijze-opbrengst bij beide lichtintensiteiten door verhoogde fotosynthese, terwijl een breed spectrum bij een hogere lichtintensiteit vergelijkbare resultaten opleverde. Cannabinoïden concentraties bleven onaangetast door de behandelingen. Echter, bij een hogere lichtintensiteit verhoogde een dubbele rode-piekverdeling de terpenoïden concentratie vergeleken met een enkele rode-piekverdeling, wat suggereert dat spectrum-intensiteit-interacties de bloeiwijze- en metabolietopbrengst kunnen beïnvloeden.

Hoofdstuk 5 onderzoekt de effecten van aanvullende ultraviolette (UV-A + UV-B) straling onder relatief lage (600 µmol m-2 s-1) en hoge (1000 µmol m-2 s-1) achtergrondlichtintensiteiten. Bij een lagere lichtintensiteit verhoogde aanvullende UV-straling de concentratie van gespecialiseerde metabolieten minimaal twee weken voor de oogst, maar had geen effect bij de uiteindelijke oogst en verminderde de bloeiwijze-opbrengst. Bij een hogere lichtintensiteit leidde UV-straling tot een lichte toename van de bloeiwijze-opbrengst zonder invloed op de metabolietaccumulatie. De verminderde effectiviteit van UV-straling bij een hoge achtergrondlichtintensiteit suggereert dat acclimatiemechanismen zoals verhoogde flavonoïde- of anthocyanineaccumulatie de plant kunnen beschermen tegen UV-geïnduceerde stress. Deze bevindingen suggereren dat de effectiviteit van UV-straling afhangt van de acclimatie van de plant aan de achtergrondlichtintensiteit.

Hoofdstuk 6 benadrukt het belang van lichtintensiteit en spectrale samenstelling voor het verhogen van de opbrengst van bloeiwijzen en metabolieten in medicinale cannabis. Medicinale cannabis tolereert hoge lichtintensiteiten zonder verlies van lichtbenuttingsefficiëntie. Naarmate bladveroudering vordert tijdens de late bloeifase, neemt de fotosynthese af, wat mogelijkheden biedt voor dynamische verlichtingsstrategieën om energie te besparen zonder opbrengstverlies. Dit hoofdstuk onderstreept ook dat andere omgevingsfactoren een rol spelen naast lichtintensiteit en spectrum, zoals genotype en bloeiwijzeontwikkeling.

Dit proefschrift toont aan dat medicinale cannabis hoge opbrengsten aan bloeiwijzen en gespecialiseerde metabolieten kan bereiken door nauwkeurige controle over lichtintensiteit, spectrale samenstelling en luchttemperatuur, wat bijdraagt aan duurzamere en efficiëntere teeltstrategieën.