Cannabis-Genom
Kurzdefinition
Das Cannabis-Genom ist das diploide (2n=20) Erbgut von Cannabis sativa L., bestehend aus neun Autosomenpaaren und einem Geschlechtschromosomenpaar (X/Y), mit einer haploiden Größe von ~750–843 Mb (~68% repetitiv), einem Tandem-Array der Cannabinoid-Synthasen auf Chromosom 7 und einer ausgedehnten Sex-Determination Region (SDR, 79–84 Mb) auf dem Y-Chromosom.
Wissenschaftliche Beschreibung
Genomgröße: Varianz und Methoden
Die haploide Genomgröße von Cannabis sativa variiert sorten- und methodenabhängig:
| Assemblierung | Typ | Größe (Mb) | Methode |
|---|---|---|---|
| cs10/CBDRx | CBD-Typ (♀) | 876 (assembliert) / ~780 Mb (haploid) | ONT + Illumina + Hi-C |
| Pink Pepper | Drug-Typ (♀) | 770 | PacBio HiFi + ONT + Hi-C |
| Finola | Faserhanf (♂) | 1.010 | — |
| Jamaican Lion (♀) | Drug-Typ | 877 (contig-level) | PacBio |
| Jamaican Lion (♂) | Drug-Typ | 1.009 (contig-level) | PacBio |
| Lynch 2025 (Ø 193 Genome) | Durchschnitt | 781 | PacBio HiFi |
Die Streuung zwischen frühen Contig-Level-Assemblierungen (286–595 Mb) und modernen Chromosome-Level-Assemblierungen (770–1.010 Mb) zeigt, dass frühere Assemblierungen erhebliche Sequenz unerfasst ließen. Flow-Zytometrie ergibt 818 Mb (♀, XX) und 843 Mb (♂, XY) — die ~25 Mb-Differenz entspricht der Größendifferenz Y>X-Anteil (Gao et al. 2022).
Lynch et al. (2025, Nature): Mittlere haploide Länge 781 Mb über 193 Genome; keine rezente Whole-Genome Duplication; Diversität entsteht durch lokale Tandem-Duplikation, nicht Polyploidie. SV-Heterozygosität: 20,6% der Gesamtgenomlänge — bis zu 20× größer als beim Menschen.
Karyotyp und Chromosomenstruktur
2n = 20: Neun Autosomenpaare (Chr 1–9) + ein Geschlechtschromosomenpaar (X/Y).
- Geschlechtschromosomen: Y-Chromosom ~110 Mb; SDR (Sex-Determining Region): 79–84 Mb, ~840–1.160 Gene; PAR (Pseudoautosomale Region): ~29 Mb, ~1.900–1.980 Gene (inkl. Flowering-Regulatoren FT und CO). Zwei SDR-Haplotypen: Ya und Yb (Lynch 2025).
- GC-Gehalt: ~33,5–34,1% (cs10/Pink Pepper) — typisch für TE-reiche Angiospermen.
- Centromere: Repetitiv, 224-bp-Centromer-Repeat abundant (17% aller Reads in cs10 mapped darauf); in Langlese-Assemblierungen besser auflösbar.
Genanzahl und Annotationsstand
| Quelle | Protein-kodierende Gene | Pseudogene | lncRNAs/andere |
|---|---|---|---|
| NCBI cs10 Release 100 | 25.296 | 363 | 4.511 |
| Grassa 2021 (CBDRx) | 42.052 | — | — |
| Pink Pepper (GAWN) | 28.637 | — | 1.434 tRNAs |
Die Abweichung (25.296 vs. 42.052) spiegelt Pipeline-Unterschiede und Annotationsstrenge wider. Lynch et al. (2025) fanden 32.428 Gene-Presence/Absence-Variationen (PAVs) im Pangenom — das Core-Genom ist deutlich kleiner als per-Genom-Annotation suggeriert (23% aller Pangenom-Gene universal).
Repetitiver Anteil
~63–77% des Cannabis-Genoms sind repetitiv. Dominante Klassen: - LTR/Gypsy: 14,8% (Chromovirus, Ogre/Tat, Athila; spezifische Elemente LTR01/LTR08 im Synthase-Cluster) - LTR/Copia: 14,0% (Angela, AleII) - Simple Repeats: ~27–29% - LINEs/SINEs: Gering (<5%, keine separaten Angaben) - DNA-Transposons/MITEs: Gering; MITEs telomerisch angereichert - 224-bp-Centromer-Repeat: 17% aller Reads; 345–355-bp-subtelomerischer Repeat: 14% aller Reads (Grassa 2021)
17.536 vollständige LTR-RTs im CBDRx-Genom identifiziert. Die hohe Solo:intact-LTR-Ratio (ungleiche Rekombination entfernt interne Sequenzen → Solo-LTRs) wirkt Genomexpansion entgegen und hält das Cannabis-Genom relativ kompakt (Lynch 2025).
Cannabinoid-Synthase-Cluster auf Chr 7
Die Synthase-Gene (THCAS, CBDAS, CBCAS) sind in einer ~1,5 Mb TE-reichen Region auf Chr 7 organisiert:
| Array | Position (CBDRx) | Inhalt | Flanken |
|---|---|---|---|
| Array 1 | 26 Mb | 7 Kassetten: 1 CBCAS + 5 CBCAS-Pseudogene + 1 THCAS-Pseudogen | LTR01-Paare |
| Array 2 | 29 Mb | 5 CBDAS-ähnliche Paraloge | LTR08-Remnants |
| Array 3 | 31 Mb | 1 funktionelles CBDAS (Solitär) | LTR08-Remnant |
Copy-Number-Variation (CNV) durch TE-vermittelte illegitime Rekombination ist der Primärmechanismus der Synthase-Diversität zwischen Sorten. Adaptive Admixture: CBDAS-Region in CBD-Sorten zeigt Faserhanf-Introgression; THCAS-Region in Drug-Sorten Marihuana-Abstammung (Grassa 2021).
Neue Lynch-2025-Loci: - ALT3/ALT4 (Chr 7, Anfang): Acyl-lipid-Thioesterasen → Butyryl-CoA → Propyl-Cannabinoide (THCV/CBDV) - BKR (Chr 4, β-Ketoacyl-Reduktase): 2-bp-Deletion in Drogensorten → Loss-of-Function → Varin-Cannabinoid-Vorläuferpool blockiert
Assemblierungsqualität: Metriken im Vergleich
| Assemblierung | Contig-N50 (Mb) | Scaffold-N50 (Mb) | BUSCO (viridiplantae) |
|---|---|---|---|
| Purple Kush (2011) | 0,003 | 0,016 | — |
| cs10/CBDRx (2021) | 4,2 | 71,1 | 97,2% |
| Pink Pepper (2024) | 23,5 | 77,0 | 99,6% |
| Lynch 2025 (Ø) | 7,5 | — | 97% |
Biologische Auswirkungen
| Ebene | Auswirkung |
|---|---|
| Genomgröße ~780 Mb | Mittelgroßes Angiospermen-Genom; schnelle Zellzyklen durch moderate Kernvolumen |
| ~68% TEs | Prägt epigenetische Landschaft; perizentromerisches Heterochromatin; Synthase-Cluster in TE-Kontext |
| Synthase-Cluster Chr 7 | CNV direkt → Cannabinoid-Profil; adaptive Admixture erklärt CBD in Drug-Sorten |
| Ya/Yb-SDR-Haplotypen | Zwei Y-Chromosom-Varianten; potenzielle Fertilitätsunterschiede bei Feminisierung |
| Keine WGD | Synthase-Diversität durch Tandem-Duplikation, nicht Polyploidie |
Anbau-Relevanz
Marker-Assisted Selection — wichtigste genomische Regionen:
| Region | Chr | Merkmal | MAS-Relevanz |
|---|---|---|---|
| THCAS/CBDAS/CBCAS-Cluster | 7 (26–31 Mb) | THC:CBD:CBC-Ratio | Chemotyp-Selektion |
| ALT3/ALT4 | 7 | THCV/CBDV-Produktion | Rare-Cannabinoid-Züchtung |
| BKR (2-bp-Del.) | 4 | Varin-Vorläuferpool | Fehlt in Drogensorten |
| SDR (Ya/Yb) | Y | Sexualdetermination | Feminisierte Saatgutproduktion |
| FT/CO (PAR) | X/Y PAR | Blühzeitpunkt | Photoperiodik-Züchtung |
WGS-Kosten 2025: 30× Illumina-WGS: ~50–150 USD/Probe; PacBio HiFi: ~200–500 USD. SNP-Arrays: ~5–15 USD/Probe für Routine-Screening.
Polyploidie: Tetraploide (4n=40) zeigen größere Trichome und erhöhte Cannabinoid-Produktion, aber reduzierte Fertilität; Genomarchitektur auf Chromosomebene nicht charakterisiert.
Verwandte Begriffe
- referenzgenome-cs10 — CS10/CBDRx und jamaican-lion als Referenzsequenzen
- pangenom — Lynch et al. 2025; Core- vs. Accessory-Genom
- repetitive-elemente — ~68% repetitiver Anteil; LTR01/LTR08 im Synthase-Cluster
- heterochromatin — Chromatinorganisation; perizentromerisches Heterochromatin
- csx-csy-chromosomen — SDR, PAR, XY-System in 01.4 Geschlechtsdifferenzierung
- thcas — Cannabinoid-Synthase auf Chr 7 Array
- bt-bd-locus — B-Locus als genetischer Determinant des Chemotyps