Trichomes de cannabis au microscope électronique

Les fleurs de cannabis sont consommées à des fins médicinales et récréatives en fonction des propriétés de leurs métabolites spécialisés (tels que les cannabinoïdes et les terpènes). Les métabolites sont abondamment produits dans les trichomes glandulaires des fleurs femelles, qui représentent l'essence du précieux bourgeon de marijuana. Mais malgré l'importance économique et médicinale des trichomes glandulaires du cannabis, les propriétés et contributions relatives des différents types de trichomes restent mal comprises.

Le terme trichome vient du grec (« thrix », « trichos », poil ou poil) et ils forment une petite couverture poilue chez de nombreuses espèces végétales. Sa forme va de droite ou en spirale, à globulaire, qui sont celles qui présentent le plus grand intérêt pour le cannabis. Les trichomes remplissent diverses fonctions défensives et protectrices et peuvent être assez spécialisés; par exemple, les cellules ressemblant à des cheveux dans les plantes carnivores qui déclenchent la fermeture du piège sur un insecte sans méfiance sont dérivées de trichomes.

Les plants de cannabis ont une variété de trichomes, y compris de courts poils hérissés qui donnent aux feuilles une texture rugueuse et agissent probablement comme des moyens de dissuasion pour les herbivores et comme un tampon environnemental. Cependant, les trichomes glandulaires, appelés du latin « glandis » (petit gland), présentent un plus grand intérêt historique, en raison de leur forme arrondie.

Cette image montre un trichome de cannabis glandulaire flanqué de deux trichomes cystolitiques ressemblant à des cheveux (Potter 2009 PhD, King’s College London)
Cette image montre un trichome de cannabis glandulaire flanqué de deux trichomes cystolitiques ressemblant à des cheveux (Potter 2009 PhD, King’s College London)

Trichomes : types et croissance

Dans les fleurs de cannabis femelles, trois types de trichomes glandulaires ont été décrits en fonction de leur morphologie de surface: bulbeux, sessile (du latin pour « assis ») et pédonculé (ou encoché). Les trichomes bulbeux sont les plus petits en taille et produisent des métabolites spécialisés limités. Les trichomes de cannabis sessiles "s'assoient" sur l'épiderme avec une tige courte et ont une tête en forme de globe composée d'un disque multicellulaire de cellules sécrétoires et d'une cavité de stockage de métabolites sous-cutanée.

En comparaison, les trichomes tombants du cannabis ont une tête de globe de forme similaire, légèrement plus grande, mais s'élevant à plusieurs centaines de microns au-dessus de la surface épidermique soutenue par une tige multicellulaire. Les contributions relatives des deux principaux types de trichomes glandulaires, sessiles et à tige, aux profils cannabinoïdes et terpéniques des fleurs de cannabis sont encore inconnues. En fait, il n'est pas clair si les trichomes pendiculés se distinguent des trichomes sessiles simplement par la présence ou l'absence d'une tige.

Trichomes pédiculés, sessiles et bulbeux ; (Livingston et al. 2020, Fig. 1.) Chaque barre d'échelle mesure 20 µm
Trichomes pédiculés, sessiles et bulbeux ; (Livingston et al. 2020, Fig. 1.) Chaque barre d'échelle mesure 20 µm

À l'intérieur de la bulle du cannabis

Pour savoir comment ces trichomes agissent comme des usines à métabolites, une équipe de recherche canadienne de l'Université de la Colombie-Britannique a publié en 2020 une étude décrivant comment les trichomes glandulaires du cannabis modifient leur morphologie et leur contenu en métabolites pendant la maturation des fleurs. Ils l'ont fait en testant une variété de cannabis riche en CBD (en particulier la variété «Finola»).

Lorsque nous parlons de molécules telles que le THC ou le CBD de la plante de cannabis, nous parlons en fait de ces trichomes glandulaires. Chacune de ces petites "boules" est une usine de production de cannabinoïdes naturels, de terpènes et plus encore. La chaîne de production de ces usines est un groupe de cellules appelé disque sécrétoire: ce disque se trouve à l'intérieur de la balle, juste au-dessus de l'endroit où la tête arrondie rencontre les cellules de soutien de la tige.

L'équipe de recherche canadienne a pu obtenir des images remarquablement claires dans ces trichomes en utilisant la microscopie multiphotonique à haute résolution, une technique qui permet l'imagerie par émission de fluorescence avec une grande profondeur de pénétration. Ces images ont montré que les trichomes sessiles, à la fois sur les feuilles de cannabis et les calices (les parties externes de la fleur qui la protègent et la soutiennent), ont 8 cellules dans leur disque sécrétoire. Les trichomes à tige, en revanche, avaient beaucoup plus de cellules, généralement 12-16.

Dans cette image d'étude, (a) et (b) sont des trichomes sessiles d'une feuille et d'un calice vus de dessus, chacune de ses huit cellules sécrétoires étant visible. Ci-dessous (c) un disque sécrétoire de trichomes pédonculés (penduculés) est montré, tandis que (d) indique la différence de nombre de cellules entre les deux types.
Dans cette image d'étude, (a) et (b) sont des trichomes sessiles d'une feuille et d'un calice vus de dessus, chacune de ses huit cellules sécrétoires étant visible. Ci-dessous (c) un disque sécrétoire de trichomes pédonculés (penduculés) est montré, tandis que (d) indique la différence de nombre de cellules entre les deux types.

L'étude a révélé que les cellules supplémentaires dans les trichomes à tige permettent une production accrue de cannabinoïdes et d'autres métabolites secondaires. L'étude a également révélé que les trichomes sessiles sur un calice immature (en bas à gauche) se transforment en type à tige (à droite) à mesure que la plante mûrit. La même différence a été trouvée dans une variété de cannabis à haute teneur en THC (en particulier Purple Kush), ce qui indique qu'il ne s'agit pas seulement d'une caractéristique des plantes de cannabis riches en CBD.

Les trichomes sessiles développent une tige et poussent à mesure que la plante mûrit.
Les trichomes sessiles développent une tige et poussent à mesure que la plante mûrit.

Compte tenu de leur dominance dans les fleurs matures, les capacités psychoactives, aromatiques et homéostatiques du cannabis qui sont transmises par les trichomes pédonculés glandulaires en font essentiellement le lien clé entre la plante et nous.

L'essence des trichomes : cannabinoïdes et terpènes

Les techniques utilisées dans cette recherche, qui enregistraient la fluorescence naturelle des tissus vivants grâce à un laser pulsé, ont produit un excellent enregistrement visuel de la structure des trichomes de cannabis. Par exemple, dans l'image ci-dessous, le disque sécrétoire à l'intérieur de chaque tête de trichome est distinct et a la forme d'une miche de pain, ainsi que la cavité sécrétoire en forme de bulle au-dessus du disque. Cette cavité se gonfle de cannabinoïdes et d'autres métabolites au fur et à mesure que la plante pousse:

Image en microscopie multiphotonique de trichomes glandulaires dans des plantes de cannabis
Image en microscopie multiphotonique de trichomes glandulaires dans des plantes de cannabis

La teinte bleutée de ces cellules est également pertinente, car l'étude a révélé que les longueurs d'onde émises par chaque type de trichome sont causées par leur teneur en cannabinoïdes. La couleur bleu-vert de l'image ci-dessus a été artificiellement ajoutée pour mettre en évidence une bande de longueur d'onde de 420 à 460 nm, qui englobe l'émission maximale de cannabinoïdes. Les chercheurs suggèrent que la relation entre cette bande de fluorescence et les longueurs d'onde plus longues (495-540 nm) observées dans les trichomes de feuilles sessiles pourrait être un outil de diagnostic utile à l'avenir.

Mais l'équipe canadienne ne s'est pas seulement intéressée à la structure de ces formations biologiques. Pour comprendre comment se développe la teneur en trichomes, ils ont mesuré la teneur totale en terpènes et cannabinoïdes des plantes immatures et matures en les dissolvant dans du pentane ; et ils ont également utilisé une sonde en verre extrêmement fine pour extraire le contenu des cavités individuelles des trichomes.

Les résultats de l'extraction par solvant ont montré qu'à mesure que les trichomes d'un calice mûrissent, la teneur totale en terpènes et en cannabinoïdes augmente. Vers la fin de la croissance de la plante, il y a aussi une dominance croissante des monoterpènes, le type plus léger qui compose les huiles essentielles et crée les arômes uniques du cannabis.

Plus précisément, les échantillons de test ont montré que l'augmentation des monoterpènes était due à des changements dans les trichomes à tige. L'étude a également examiné les trichomes sessiles des plantes mâles (qui sont généralement éliminées pour empêcher la fertilisation des plantes femelles de valeur) et a trouvé des ratios tout aussi faibles de mono et de sesquiterpènes.

Image en microscopie multiphotonique de trois trichomes sessiles sur un calice ; barre d'échelle 50 μm
Image en microscopie multiphotonique de trois trichomes sessiles sur un calice ; barre d'échelle 50 μm

Le pourcentage de cannabinoïdes différents dans les trichomes sessiles et à tige des calices matures était similaire, suggérant aux chercheurs que les trichomes sessiles dans ce cas étaient encore en train de se convertir au type à tige. Sans surprise, la forme non décarboxylée de CBD, CBDA ou acide cannabidiolique, était le cannabinoïde le plus important dans cette souche riche en CBD.

L'étape finale que l'équipe a franchie a été de rechercher dans chaque type de trichome les instructions génétiques qui conduisent à la production de terpènes et de cannabinoïdes. Ils ont découvert que les trichomes glandulaires individuels de tous types, mais les trichomes souches en particulier, avaient des niveaux élevés de gènes qui construisent à la fois le CBGA (la molécule « mère » du CBD et du THC) et la CBDA synthase spécifique qui transforme le CBGA en CBDA. Ces gènes étaient plus fréquents dans les trichomes que dans les racines et les pousses de cannabis, comme prévu.

Un travail de microscopie qui ouvre de nombreuses portes

Qu'est-ce que ce travail ajoute à notre connaissance de la culture du cannabis ? Premièrement, sous la lumière UV, les trichomes pédonculés dégageaient une couleur bleu vif et contenaient un grand disque de cellules en forme de gâteau distinctif. Les trichomes sessiles plus petits, qui sont sans tige, dégageaient une couleur rouge, avaient des disques sécrétoires plus petits et produisaient moins de terpènes parfumés. Par conséquent, la lumière ultraviolette pourrait être utilisée pour surveiller la maturité des trichomes dans les fleurs et informer des moments de récolte optimaux.

Une grappe de fleurs (e) éclairée par une lumière ultraviolette (f) pour produire une fluorescence bleue à partir de trichomes glandulaires à tige pour faciliter l'échantillonnage microcapillaire de la résine
Une grappe de fleurs (e) éclairée par une lumière ultraviolette (f) pour produire une fluorescence bleue à partir de trichomes glandulaires à tige pour faciliter l'échantillonnage microcapillaire de la résine

Savoir quand récolter grâce aux trichomes du cannabis

Voici la traduction d'un article de Subcool (TGA), au sujet de la récolte des plantes de cannabis. Les effets et les goûts de la marijuana peuvent varier fortement selon la date de la récolte. Comment savoir quel est le moment idéal pour récolter? Que sont les trichomes et comment récolter selon leur couleur? Comment optimiser votre recolte selon l'effet recherché? Voici les réponses à ces questions, accompagnés d'exemples issues de l'expérience personnelle de Subcool....

Les trichomes sessiles et encochés diffèrent non seulement en ce qu'ils reposent sur une grande tige ou directement sur la surface épidermique, mais ils ont également des propriétés fluorescentes distinctes, ainsi que des différences dans le nombre de cellules dans leurs profils de disque sécrétoire et de métabolites terpéniques.

Deuxièmement, la combinaison unique de travaux microscopiques, analytiques et génétiques synthétisés par l'équipe de recherche canadienne élucide le processus de croissance et les voies moléculaires que suivent les cannabinoïdes et les terpènes, permettant une plus grande portée pour affiner ces processus et ainsi augmenter les rendements et contrôler les résultats indésirables pour consommateurs de cannabis à des fins médicales ou récréatives. Après des milliers d'années de travail humain avec cette plante, les recherches de l'Université de la Colombie-Britannique et de leurs collègues montrent que nous sommes maintenant plus près que jamais de réaliser le plein potentiel de cette plante.

Et troisièmement, en examinant les progrès scientifiques, qui se concentrent souvent de nos jours sur les dernières percées génomiques ou d'autres gros problèmes de données, il est facile de sous-estimer la valeur des aides visuelles pour notre compréhension du monde microscopique. Le détail et la clarté des images produites par cette étude ont aidé d'autres universitaires, et, espérons-le, le grand public, à comprendre les générateurs centraux de cannabinoïdes et d'autres molécules clés du cannabis.

Dans cet esprit, rien de tel qu'une image finale d'un mélange de trichomes de cannabis, qu'il faut apprécier non seulement pour son importance scientifique, mais aussi pour sa valeur éducative et même esthétique.
Dans cet esprit, rien de tel qu'une image finale d'un mélange de trichomes de cannabis, qu'il faut apprécier non seulement pour son importance scientifique, mais aussi pour sa valeur éducative et même esthétique.

Microscopie électronique du cannabis comme valeur esthétique

Sans aucun doute, le caractère spectaculaire de ces images prises au microscope électronique a séduit d'autres chercheurs qui ont également traversé les eaux orageuses nanométriques pour montrer toute la beauté du cannabis d'un point de vue fondamental. Et de tous les exemples disponibles dans le monde, «Cannabis : Marijuana under the Microscope» de Ted Kinsman est de loin le plus unique.

Dans un marché inondé de livres sur la façon de cultiver, d'archives de bud porn et d'explorations de la culture du cannabis, cet ouvrage édité par ce professeur associé du Département des sciences photographiques du Rochester Institute of Technology à New York présente la marijuana comme jamais on l'a vue auparavant: au microscope électronique à balayage ou SEM (Scanning Electron Microscope), pour observer de plus près les feuilles, les graines, le pollen et les trichomes.

Certaines des images qui apparaissent dans le livre 'Cannabis : Marijuana under the Microscope'
Certaines des images qui apparaissent dans le livre 'Cannabis : Marijuana under the Microscope'

Le microscope électronique à balayage est largement utilisé dans divers domaines de l'industrie et de la science car c'est l'un des outils d'imagerie et de mesure les plus polyvalents. Les photographies produites par cette technique sont particulièrement appréciées pour leur grande profondeur de champ et leur excellente résolution, deux ordres de grandeur supérieurs à la microscopie optique. Mais les images fournies par le SEM sont en noir et blanc, et les images individuelles contiennent des informations en seulement deux dimensions. Cependant, la couleur est quelque chose d'important pour nous, les humains; Et pas seulement d'un point de vue esthétique, puisque notre cerveau s'appuie sur la couleur (et la vision stéréoscopique) pour percevoir correctement les objets.

Une image au microscope électronique à balayage (SEM) en fausses couleurs montre quatre types de trichomes sur le bord d'une feuille de bractée récoltée à partir d'un gros bourgeon
Une image au microscope électronique à balayage (SEM) en fausses couleurs montre quatre types de trichomes sur le bord d'une feuille de bractée récoltée à partir d'un gros bourgeon

Ainsi, une fois que Kinsman a eu ses images SEM, il a pu les améliorer avec des couleurs riches pour les rendre plus attrayantes. En fait, chaque image commence en noir et blanc et doit être coloriée à la main. Ted peint les trichomes de cannabis contenant du THC d'une couleur vive pour les faire ressortir : "Je choisis des couleurs vives parce que j'essaie de rendre la science visuellement excitante et attrayante pour le grand public." Voici une vidéo sur le travail de Ted Kinsman:

Bien que le livre de Kinsman ait été publié en 2019, en 2014 un autre chercheur avait déjà partagé des images de cannabis obtenues grâce aux microscopes électroniques à balayage. Comme vous pouvez le voir dans un autre livre essentiel : 'Cannabis Under The Microscope : A Visual Exploration of Medicinal Sativa and C. Indica' de Ford McCann, un livre qui présente également des images microscopiques du cannabis dans toute sa splendeur.

Comme dans le cas précédent, il convient de garder à l'esprit que la marijuana n'a pas en fait des couleurs aussi vives qu'un sapin de Noël allumé. Une grande partie de la photographie est en fausses couleurs car, comme c'est le cas avec la plupart des images d'un microscope électronique à balayage, les ordinateurs sont utilisés pour améliorer et mettre en évidence certaines caractéristiques afin de les rendre plus faciles à étudier. Cependant, le résultat est tout de même assez impressionnant, comme le montre cet exemple, une seule des 170 photographies du livre, et qui montre que les scientifiques, du moins en laboratoire, voient la marijuana très différemment de nous, cultivateurs ou consommateurs.

Le bourgeon d'un spécimen parfaitement préparé de la base de la fleur femelle (calice pistil)
Le bourgeon d'un spécimen parfaitement préparé de la base de la fleur femelle (calice pistil)

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Images et références :

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

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