Cannabistrichome unter dem Elektronenmikroskop

Cannabisblüten werden aufgrund der Eigenschaften ihrer speziellen Metaboliten (wie Cannabinoide und Terpene) zu medizinischen und Freizeitzwecken konsumiert. Die Metaboliten werden in den Drüsentrichomen der weiblichen Blüten, die die Essenz der kostbaren Marihuanaknospe darstellen, reichlich produziert. Doch trotz der wirtschaftlichen und medizinischen Bedeutung der Drüsentrichome von Cannabis sind die relativen Eigenschaften und Beiträge der verschiedenen Trichomtypen nach wie vor kaum bekannt.

Der Begriff Trichom stammt aus dem Griechischen ('thrix', 'trichos', Haar), und sie bilden bei vielen Pflanzenarten eine kleine haarige Hülle. Ihre Form reicht von gerade oder spiralförmig bis hin zu kugelförmig, was bei Cannabis am interessantesten ist. Trichome erfüllen verschiedene Verteidigungs- und Schutzfunktionen und können ziemlich spezialisiert sein; so stammen beispielsweise die haarähnlichen Zellen in fleischfressenden Pflanzen, die die Falle auslösen, die sich auf ein ahnungsloses Insekt schließt, von Trichomen ab.

Cannabispflanzen haben eine Vielzahl von Trichomen, darunter kurze, spitze Haare, die den Blättern eine raue Textur verleihen und wahrscheinlich als Abschreckung für Pflanzenfresser und als Umweltpuffer dienen. Von größerem historischem Interesse sind jedoch die Drüsentrichome, die ihren Namen vom lateinischen Wort glandis" (kleine Eichel) haben, weil sie eine runde Form haben.

Trichome: Typen und Wachstum

Bei weiblichen Cannabisblüten wurden drei Arten von Drüsentrichomen entsprechend ihrer Oberflächenmorphologie beschrieben: knollige, sessile (lateinisch für "sitzend") und gestielte (oder gekerbte) Trichome. Zwiebelige Trichome sind die kleinsten und produzieren nur wenige spezialisierte Stoffwechselprodukte. Die sessilen Trichome von Cannabis sitzen" mit einem kurzen Stiel auf der Epidermis und haben einen kugelförmigen Kopf, der aus einer mehrzelligen Scheibe mit sekretorischen Zellen und einer subkutikulären Speicherhöhle für Metaboliten besteht.

Im Vergleich dazu haben die hängenden Trichome von Cannabis einen ähnlichen kugelförmigen Kopf, der etwas größer ist, aber mehrere hundert Mikrometer über die Epidermisoberfläche hinausragt und von einem mehrzelligen Stiel getragen wird. Der relative Beitrag der beiden Haupttypen von Drüsentrichomen, der sessilen und der gestielten, zu den Cannabinoid- und Terpenprofilen von Cannabisblüten ist noch unbekannt. Es ist sogar unklar, ob sich die hängenden Trichome von den sessilen Trichomen nur durch das Vorhandensein oder Fehlen eines Stiels unterscheiden.

Das Innere der Cannabisblase

Um zu erfahren, wie diese Trichome als Metabolitenfabriken fungieren, veröffentlichte ein kanadisches Forscherteam der University of British Columbia im Jahr 2020 eine Studie, die beschreibt, wie die Drüsentrichome von Cannabis ihre Morphologie und ihren Metabolitengehalt während der Blütenreifung verändern. Dazu analysierten sie eine CBD-reiche Cannabissorte (speziell die Sorte "Finola").

Wenn wir von Molekülen wie THC oder CBD sprechen, die aus der Cannabispflanze stammen, meinen wir eigentlich diese Drüsentrichome. Jedes dieser kleinen "Bällchen" ist eine Fabrik zur Herstellung von natürlichen Cannabinoiden, Terpenen und mehr. Die Produktionslinie dieser Fabriken ist ein Zellhaufen, der als sekretorische Scheibe bezeichnet wird: Diese Scheibe befindet sich im Inneren der Kugel, genau über der Stelle, an der der abgerundete Kopf auf die Stützzellen des Stammes trifft.

Das kanadische Forscherteam konnte mit Hilfe der hochauflösenden Multiphotonenmikroskopie, einer Technik, die Fluoreszenzemissionsbilder mit hoher Eindringtiefe ermöglicht, bemerkenswert klare Bilder aus dem Inneren dieser Trichome gewinnen. Diese Bilder zeigten, dass sessile Trichome sowohl in Cannabisblättern als auch in Blütenkelchen (den äußeren Teilen der Blüte, die sie schützen und stützen) acht Zellen in ihrer Sekretionsscheibe haben. Gestielte Trichome hingegen haben deutlich mehr Zellen, typischerweise 12-16.

Die Studie ergab, dass die zusätzlichen Zellen in den gestielten Trichomen eine größere Produktion von Cannabinoiden und anderen Sekundärmetaboliten ermöglichen. Die Studie ergab auch, dass sich die sessilen Trichome in einem unreifen Kelch (unten links) bei der gestielten Variante (rechts) entwickeln, wenn die Pflanze reift. Derselbe Unterschied wurde bei einer Cannabissorte mit hohem THC-Gehalt (nämlich Purple Kush) festgestellt, was darauf hindeutet, dass dies nicht nur ein Merkmal von CBD-reichen Cannabispflanzen ist.

Angesichts ihrer Dominanz in den reifen Blüten machen die psychoaktiven, aromatischen und homöostatischen Fähigkeiten von Cannabis, die durch die gestielten, drüsigen Trichome übertragen werden, diese im Wesentlichen zur wichtigsten Verbindung zwischen der Pflanze und uns.

Die Essenz der Trichome: Cannabinoide und Terpene

Die bei dieser Forschung angewandte Technik, bei der die natürliche Fluoreszenz von lebendem Gewebe mit einem gepulsten Laser aufgezeichnet wurde, ermöglichte eine hervorragende visuelle Erfassung der Struktur von Cannabidiol-Trichomen. Auf dem Bild unten ist beispielsweise die Sekretionsscheibe in jedem Trichomkopf deutlich zu erkennen, die wie ein Laib Brot geformt ist, zusammen mit der blasenförmigen Sekretionshöhle über der Scheibe. Dieser Hohlraum bläht sich mit Cannabinoiden und anderen Stoffwechselprodukten auf, wenn die Pflanze wächst:

Die bläuliche Färbung dieser Zellen ist ebenfalls von Bedeutung, da die Studie herausfand, dass die Wellenlängen, die von jeder Art von Trichom emittiert werden, durch ihren Cannabinoidgehalt verursacht werden. Die blau-grüne Farbe auf dem obigen Bild wurde künstlich hinzugefügt, um ein Wellenlängenband von 420 bis 460 nm hervorzuheben, das die maximale Emission von Cannabinoiden umfasst. Die Forscher vermuten, dass die Beziehung zwischen dieser Fluoreszenzbande und den längeren Wellenlängen (495-540 nm), die in den Trichomen der sessilen Blätter zu sehen sind, in Zukunft ein nützliches Diagnoseinstrument sein könnte.

Das kanadische Team war jedoch nicht nur an der Struktur dieser biologischen Formationen interessiert. Um zu verstehen, wie sich der Inhalt der Trichome entwickelt, maßen sie den Gesamtgehalt an Terpenen und Cannabinoiden in unreifen und reifen Pflanzen, indem sie diese in Pentan auflösten, und verwendeten außerdem eine extrem feine Glassonde, um den Inhalt einzelner Trichomhöhlen zu extrahieren.

Die Ergebnisse der Lösungsmittelextraktion zeigten, dass mit der Reifung der Trichome in einem Kelch der Gesamtgehalt an Terpenen und Cannabinoiden zunimmt. Gegen Ende des Pflanzenwachstums überwiegen außerdem zunehmend die Monoterpene, die leichteren Typen, aus denen die ätherischen Öle bestehen und die das einzigartige Aroma von Cannabis ausmachen.

Genauer gesagt zeigten die Testproben, dass der Anstieg der Monoterpene auf Veränderungen der Stängel-Trichome zurückzuführen ist. Die Studie analysierte auch die sessilen Trichome von männlichen Pflanzen (die in der Regel entfernt werden, um eine Befruchtung der wertvollen weiblichen Pflanzen zu vermeiden) und fand ähnlich geringe Anteile an Mono- und Sesquiterpenen.

Der prozentuale Anteil der verschiedenen Cannabinoide in den sessilen und gestielten Trichomen der reifen Blütenkelche war ähnlich, was die Forscher darauf schließen ließ, dass sich die sessilen Trichome in diesem Fall noch zum gestielten Typ entwickelten. Wie erwartet war die nicht decarboxylierte Form von CBD, CBDA oder Cannabidiol-Säure, das auffälligste Cannabinoid in dieser CBD-reichen Sorte.

Der letzte Schritt, den das Team unternahm, bestand darin, jeden Trichomtyp nach den genetischen Anweisungen zu durchsuchen, die zur Produktion von Terpenen und Cannabinoiden führen. Sie fanden heraus, dass einzelne Drüsentrichome aller Typen, insbesondere aber Stammtrichome, hohe Werte der Gene aufweisen, die sowohl CBGA (das "Mutter"-Molekül von CBD und THC) als auch die spezifische CBDA-Synthase bilden, die CBGA in CBDA umwandelt. Wie erwartet waren diese Gene in Trichomen häufiger als in Cannabiswurzeln und -knospen.

Eine mikroskopische Arbeit, die viele Türen öffnet

was trägt diese Arbeit zu unserem Wissen über den Cannabisanbau bei? Erstens, dass die gestielten Trichome unter ultraviolettem Licht eine leuchtend blaue Farbe ausstrahlen und eine große, charakteristische kuchenförmige Scheibe aus Zellen enthalten. Die kleineren sessilen Trichome, die keinen Stiel haben, strahlten eine rote Farbe aus, hatten kleinere Sekretionsscheiben und produzierten weniger wohlriechende Terpene. Ultraviolettes Licht könnte daher zur Überwachung der Trichomreife in Blüten und zur Bestimmung des optimalen Erntezeitpunkts verwendet werden.

Sessile und gekerbte Trichome unterscheiden sich nicht nur dadurch, dass sie auf einem großen Stiel oder direkt auf der epidermalen Oberfläche sitzen, sondern haben auch unterschiedliche Fluoreszenzeigenschaften sowie Unterschiede in der Anzahl der Zellen in ihrer sekretorischen Scheibe und den Terpen-Metabolitenprofilen.

Zweitens klärt die einzigartige Kombination aus mikroskopischer, analytischer und genetischer Arbeit des kanadischen Forschungsteams den Wachstumsprozess und die molekularen Pfade, denen Cannabinoide und Terpene folgen, und bietet damit mehr Möglichkeiten zur Verfeinerung dieser Prozesse, um die Erträge zu steigern und unerwünschte Folgen für medizinische oder Freizeit-Cannabiskonsumenten zu kontrollieren. Nachdem die Menschen seit Tausenden von Jahren mit dieser Pflanze arbeiten, zeigen Forschungen wie die der University of British Columbia und ihrer Kollegen, dass wir heute näher denn je dran sind, das volle Potenzial dieser Pflanze zu nutzen.

Und drittens, dass man bei der Betrachtung des wissenschaftlichen Fortschritts, der sich heutzutage oft auf die neuesten genomischen oder anderen großen Durchbrüche in der Datenverarbeitung konzentriert, leicht den Wert der visuellen Hilfsmittel für unser Verständnis der mikroskopischen Welt unterschätzt. Die Detailgenauigkeit und Klarheit der Bilder dieser Studie hat anderen Wissenschaftlern und hoffentlich auch der breiten Öffentlichkeit geholfen, die zentralen Generatoren der Cannabinide und anderer Schlüsselmoleküle in Cannabis zu verstehen.

Elektronenmikroskopie von Cannabis als ästhetischer Wert

Die spektakuläre Natur dieser elektronenmikroskopischen Bilder hat zweifellos andere Forscher verführt, die ebenfalls die stürmischen nanometrischen Gewässer durchpflügt haben, um die ganze Schönheit von Cannabis von einem fundamentalen Standpunkt aus zu zeigen. Und von allen auf der Welt verfügbaren Beispielen ist Ted Kinsmans "Cannabis: Marihuana unter dem Mikroskop" bei weitem das einzigartigste.

In einem Markt, der mit Anbaubüchern, Archiven für Knospenpornografie und Erkundungen der Cannabiskultur überschwemmt ist, präsentiert das von diesem außerordentlichen Professor der Abteilung für Fotowissenschaften am Rochester Institute of Technology in New York herausgegebene Werk Marihuana, wie es noch nie zuvor gesehen wurde: durch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM), um einen genaueren Blick auf die Blätter, Samen, Pollen und Trichome zu werfen.

Das Rasterelektronenmikroskop wird in vielen Bereichen der Industrie und Wissenschaft eingesetzt, da es eines der vielseitigsten Mess- und Abbildungsinstrumente ist. Die mit dieser Technik erzeugten Bilder werden vor allem wegen ihrer großen Schärfentiefe und ihrer hervorragenden Auflösung geschätzt, die beide um Größenordnungen besser sind als bei der optischen Mikroskopie. Die Bilder des REM sind jedoch schwarz-weiß, und die einzelnen Bilder enthalten nur Informationen in zwei Dimensionen. Dennoch ist Farbe für uns Menschen wichtig, und zwar nicht nur aus ästhetischer Sicht, denn unser Gehirn ist auf Farbe (und stereoskopisches Sehen) angewiesen, um Objekte richtig wahrzunehmen.

Sobald Kinsman seine REM-Bilder hatte, konnte er sie mit intensiven Farben verbessern, um sie attraktiver zu machen. Jedes Bild ist zunächst schwarz-weiß und muss dann von Hand koloriert werden. Ted malt die THC-haltigen Cannabistrichome in einer leuchtenden Farbe an, um sie hervorzuheben: "Ich wähle intensive Farben, weil ich versuche, die Wissenschaft visuell aufregend und für die breite Bevölkerung ansprechend zu gestalten". Hier ist ein Video von Ted Kinsmans Arbeit:

Obwohl Kinsmans Buch erst 2019 veröffentlicht wurde, hatte bereits 2014 ein anderer Forscher seinen Hecht in den Flandern der Cannabis-Bildgebung mit Rasterelektronenmikroskopen gesetzt. Das kann man in einem anderen unverzichtbaren Buch sehen: "Cannabis Under The Microscope: A Visual Exploration of Medicinal Sativa and C. Indica" von Ford McCann, einem Buch, das ebenfalls mikroskopische Bilder von Cannabis in all seiner Pracht präsentiert.

Wie bereits erwähnt, sollte man bedenken, dass Marihuana in Wirklichkeit nicht so farbenfroh ist wie ein beleuchteter Weihnachtsbaum. Ein Großteil der Fotos ist in Falschfarben gehalten, denn wie bei den meisten rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen werden Computer eingesetzt, um bestimmte Merkmale zu verbessern und hervorzuheben, damit sie leichter zu studieren sind. Das Ergebnis ist jedoch immer noch recht beeindruckend, wie dieses Beispiel zeigt, das nur eines von 170 Fotos im Buch ist und das zeigt, dass Wissenschaftler, zumindest im Labor, Marihuana ganz anders sehen als wir Züchter oder Nutzer.

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Bilder und Referenzen:

• Cannabis glandular trichomes alter morphology and metabolite content during flower maturation. Samuel J. Livingston, Teagen D. Quilichini, Judith K. Booth, Darren C. J. Wong